KR20130084950A - Mems based gyroscope - Google Patents

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KR20130084950A KR1020120019277A KR20120019277A KR20130084950A KR 20130084950 A KR20130084950 A KR 20130084950A KR 1020120019277 A KR1020120019277 A KR 1020120019277A KR 20120019277 A KR20120019277 A KR 20120019277A KR 20130084950 A KR20130084950 A KR 20130084950A
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Abstract

PURPOSE: A MEMS based gyroscope is provided to wire the inside and outside of the gyroscope by using a wire connecting method by a silicon tubing conducting pole, thereby enabling the automation by an integral process from the manufacturing of the MEMS based gyroscope to the inspection and final package level. CONSTITUTION: A MEMS based gyroscope comprises a frame (10), the sensor masses (30,32), the detection electrodes (41a,42a,43a,44a,45a,46a,47a,48a) and the sensor mass support springs (36a,36b,38a,38b). The frame is arranged in a bottom wafer substrate in parallel. The sensor masses are sensed as the 1-degree of freedom with the frame in a sensor mode. The sensor masses are sensed as the 2-degree of freedom by the Coliolis force when the external angular velocity is inputted to the frame. The detection electrodes measure each detection displacement of the 2-degrees of freedom by the sensor masses. The sensor mass support springs connect the sensor masses to the frame, and permit the sensor masses to have the detection displacement of the 2-degree of freedom.

Description

멤즈 기반의 자이로스코프 {MEMS Based Gyroscope}MEMS Based Gyroscope
본 발명은, 바닥 웨이퍼기판(wafer substrate)에 대하여 수직(vertical) 또는 수평(lateral) 방향으로 가진(driving)하며 수직(vertical) 또는 수평(lateral) 방향으로 감지(sensing)하는 원리를 사용하는, 제조공정이 단순하고, 미세제조 공정오차 및 진공패키지 공정오차에 강인(robust for micro fabrication and for vacuum packaging process error)하여 생산성이 높은 멤즈 기반의 자이로스코프에 관한 것이다.The present invention uses the principle of driving in a vertical or lateral direction with respect to a bottom wafer substrate and sensing in a vertical or lateral direction, The manufacturing process is simple, and robust to microfabrication process and vacuum packaging process error (robust for micro fabrication and for vacuum packaging process error) relates to a high productivity MEMs-based gyroscope.
멤즈(mems: micro electro-mechanical system) 자이로스코프는 3차원 공간에서 이동하는 물체의 각속도를 측정하는 센서(angular velocity sensor)로서, 도 1 과 같은 1자유도(DOF, Degree Of Freedom) 수평가진 시스템과 1자유도 수평감지 시스템으로 구성된 z축 자이로스코프, 또는 도 2 와 같이 1자유도 수평가진 시스템과 1자유도 수직감지 시스템으로 구성된 x-y축 자이로스코프가 있다.MEMS (micro electro-mechanical system) gyroscope is a sensor (angular velocity sensor) for measuring the angular velocity of a moving object in three-dimensional space, the degree of freedom (DOF) horizontal vibration system as shown in FIG. And a z-axis gyroscope configured as a 1 degree of freedom horizontal sensing system, or an xy axis gyroscope configured as a degree of freedom horizontal sensing system and a degree of freedom vertical sensing system as shown in FIG. 2.
이와 같은 멤즈 기반의 자이로스코프 내부에는 진동하는 센서질량체(sensor proof mass)가 있으며, 외부에서 가진방향(x)에 수직인 축(z, 또는 y)을 중심으로 각속도가 인가되면, 센서질량체에는 가진방향(x)과 그 수직축(z, 또는 y)이 이루는 평면에 수직인 제3의 방향(y, 또는 z)으로 코리올리힘(Fc=2mΩωAsinωt)이 작용하고, 코리올리힘에 의하여 변동하는 센서질량체의 동작의 크기를 감지한다. 여기서 m은 센서의 질량(mass)이고, Ω는 외부 각속도(angular velocity)이며, ω(=2πf)는 센서(즉, 질량체+지지스프링)에 대한 가진주파수(driving frequency)이며, A는 센서에 대한 가진진폭(driving amplitude)이며, t는 시간이다. 멤즈 기반의 자이로스코프의 성능 감도(sensitivity)는 단위각속도 대비 코리올리힘(Fc/Ω=2πmfA)으로 정의되므로, 설계단계에서 센서의 질량 m을 크게 하거나, 또는 센서에 대한 가진주파수 f를 크게 하거나, 또는 가진진폭 A을 크게 해야 한다.Inside the MEMs-based gyroscope, there is a vibrating sensor proof mass, and when an angular velocity is applied around an axis (z or y) perpendicular to the direction of excitation (x) from the outside, the sensor mass The Coriolis force (Fc = 2mΩωAsinωt) acts in the third direction (y, or z) perpendicular to the plane formed by the direction (x) and its vertical axis (z, or y). Detect the size of the action. Where m is the mass of the sensor, Ω is the external angular velocity, ω (= 2πf) is the driving frequency for the sensor (i.e. mass + support spring), and A is For driving amplitude, and t is time. The performance sensitivity of MEMs-based gyroscopes is defined as the Coriolis force (Fc / Ω = 2πmfA) relative to the unit angular velocity, so that the mass m of the sensor at the design stage, or the excitation frequency f for the sensor, Alternatively, the excitation amplitude A must be increased.
종래의 도 1 과 같은 z축 자이로스코프 또는 도 2 와 같은 x-y축 자이로스코프에서 센서의 최대 가진진폭(driving peak amplitude) A는, 도 3 과 같은 주파수응답곡선의 가진 공진주파수(driving resonance frequency)에서 나타나므로 센서에 대한 가진주파수(driving frequency) f를 센서의 가진 공진주파수 fd와 완전히 일치시켜야(f=fd) 한다. 센서의 감지진폭(sensing peak amplitude) As는, 센서에 대한 가진 공진주파수 fd를 센서의 감지 공진주파수(sensing resonance frequency) fs에 얼마나 가깝게 접근시켰는지의 주파수매칭(frequency matching)의 정도(fs~fd)에 의해 결정된다. 이때 가진전압에 의해 야기되는 기생정전용량(parasitic capacitance) 성분을 센서 출력신호로부터 전기적으로 분리(demodulation) 해 내기 위해서는 fd가 fs에 완전히 일치해서는 안된다.(즉, fd≠fs)In the conventional z-axis gyroscope as shown in FIG. 1 or the xy-axis gyroscope as shown in FIG. 2, the maximum driving peak amplitude A of the sensor is equal to the driving resonance frequency of the frequency response curve as shown in FIG. 3. As such, the driving frequency f for the sensor must match the resonance frequency fd of the sensor (f = fd). The sensing peak amplitude As of the sensor is the degree of frequency matching (fs ~ fd) that approximates how close the excited resonance frequency fd for the sensor is to the sensing resonance frequency fs of the sensor. Is determined by At this time, in order to electrically deform parasitic capacitance caused by the excitation voltage from the sensor output signal, fd must not coincide with fs (ie, fd ≠ fs).
또한 센서 가진진폭 Ad는, 도 3 에서 보듯, 기계적 가진시스템의 정적변형에 대한 최대진폭비 Qd(Quality factor)에 비례하여 커지고, 센서 감지진폭 As는, 기계적 감지시스템의 정적변형에 대한 최대진폭비 Qs(Quality factor)에 비례하여 또한 커지므로, 이러한 Qd 또는 Qs를 동시에 크게 하기 위하여 프레임과 센서 등 기계적 가진/감지 시스템에 대한 진공 중 밀폐포장(hermetic sealing in vacuum environment) 후에 동작시킨다.Also, as shown in FIG. 3, the sensor excitation amplitude Ad is increased in proportion to the maximum amplitude factor Qd (Quality factor) for the static deformation of the mechanical excitation system, and the sensor detection amplitude As is the maximum amplitude ratio Qs for the static deformation of the mechanical detection system. It also increases in proportion to the quality factor, so it is operated after a hermetic sealing in vacuum environment for mechanical excitation / detection systems such as frames and sensors to increase these Qd or Qs simultaneously.
한편 코리올리힘에 의해 생긴 센서질량체의 움직임의 크기는 센서질량체와 고정감지전극 사이의 전기적 정전용량 C(Capacitance)의 변동을 측정하여 산출한다. 고정감지전극에서 출력되는 감지신호에는, 감지신호에 비하여 상대적으로 큰 가진전압에 의해 발생하는 기생정전용량이 잡음(noise)으로 포함되는 것을 피할 수 없다.On the other hand, the magnitude of the movement of the sensor mass caused by the Coriolis force is calculated by measuring the variation of the electrical capacitance C (Capacitance) between the sensor mass and the fixed sensing electrode. In the sensing signal output from the fixed sensing electrode, the parasitic capacitance generated by the excitation voltage relatively higher than the sensing signal is inevitable.
따라서, 도 1(z축 자이로스코프) 및 도 2(x-y축 자이로스코프) 와 같이 가진 및 감지 시스템이 각각 1자유도를 가지는 자이로스코프 센서에서 전체적인 감도는, 도 3 에서 보듯, 첫째, 센서질량체에 대한 감지 공진주파수 fs와 가진 공진주파수 fd와의 주파수매칭의 정도(fs~fd), 둘째, 가진 및 감지 시스템 각각에 대한 최대진폭비 Q 등의 3개 파라메타, 그리고 셋째로, 센서의 출력신호(Sensing Signal)와 기생정전용량에 의한 잡음 사이의 비, 즉 신호대잡음비 SNR(Signal to Noise Ratio)에 의해 결정된다.Thus, the overall sensitivity of the gyroscope sensor, as shown in Fig. 1 (z-axis gyroscope) and Fig. 2 (xy-axis gyroscope), in which the excitation and detection systems each have one degree of freedom, as shown in Fig. 3, first, with respect to the sensor mass. Three parameters, namely the degree of frequency matching with the resonant frequency fd with the sensed resonant frequency fs, and the second, the maximum amplitude ratio Q for each of the excitation and sensing systems, and thirdly, the sensor's output signal. It is determined by the ratio between the noise by the parasitic capacitance and the signal to noise ratio (SNR).
결론적으로 센서의 가진 공진주파수 fd를 감지 공진주파수 fs에 가깝게 일치시킬수록, 각속도에 대한 전체 감도를 극대화할 수 있다. 그러나 fd를 fs 근처에 접근시켜 가능한 최대의 감지진폭 As를 얻으려는 시도는, 멤즈 기반의 자이로스코프 구조물에 대한 미세가공 공정오차 때문에 감지 공진주파수 fs와 가진 공진주파수 fd가 각각 매우 민감하게 변하는 문제로 인해, 제조과정에서 웨이퍼 내 개별적인 칩에 대한 감지진폭 As의 편차가 커지는 결과로 나타나고, 이는 결국 생산 수율(yield)을 크게 떨어뜨리는 요인이 된다.In conclusion, as the excitation frequency fd of the sensor is closely matched to the detection resonance frequency fs, the overall sensitivity to the angular velocity can be maximized. However, attempting to approach fd near fs to obtain the maximum possible detection amplitude As is a problem in which the resonant frequencies fd with the sensing resonant frequencies fs are very sensitive to each other due to microfabrication process errors for MEMs-based gyroscope structures. As a result, the deviation of the sense amplitude As for the individual chips in the wafer during the manufacturing process increases, which in turn causes a significant drop in production yield.
Cenk Acar는, 이러한 멤즈 구조물에 대한 미세가공 단계에서 발생하는 공정오차가 불가피한 것으로 보고, 도 4 와 같이, z축 자이로스코프에 대하여, x-y평면에서 하나의 센서(m)를 제1질량체(m₁)와 제2질량체(m₂)로 분리하여 감지 공진주파수(fs)가 2개인 2자유도 감지모드로 바꾸고, 1개의 가진 공진주파수(fd)가 2개의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂) 사이의 평평한(flat) 영역에 오도록 설계함으로써, 비록 공정오차가 발생하여 가진 공진주파수 또는 감지 공진주파수가 미세하게 달라지더라도 그 평평한 영역에서 벗어나지 않도록 하는 방법을 발명(US7,284,430) 하였다.Cenk Acar considers that the process error occurring in the micromachining step for the MEMS structure is inevitable, and as shown in FIG. 4, one sensor m is disposed in the xy plane with respect to the z-axis gyroscope. And the second mass (m₂) are separated into two degrees of freedom sensing mode with two sensing resonance frequencies (fs), and one excitation resonance frequency (fd) is flat between two sensing resonance frequencies (fs₁, fs₂). By designing to be in the flat region, a method of preventing a deviation from the flat region even though the resonant frequency or sensed resonant frequency due to a process error occurs is slightly changed (US 7,284,430).
C. Acar의 발명은, 수평가진 되는 센서 내외부에 이중으로 복수(double)의 수평감지 비연성결합스프링(decoupled spring)을 배치하여 z축 자이로스코프의 형태로 구현할 수는 있지만, 도 2 와 같은 x-y축 자이로스코프에 대해서는 센서 내외부에 이중으로 복수의 수직감지 비연성결합스프링을 구현하기가 대단히 어렵다는 문제점을 가진다.C. The invention of Acar can be implemented in the form of a z-axis gyroscope by arranging a double horizontal sensing decoupled spring inside and outside the horizontal sensor. The gyroscope has a problem that it is very difficult to implement a plurality of vertical sensing non-coupled coupling springs inside and outside the sensor.
한편 종래의 도 2 와 같은 x-y축 자이로스코프는, 가진진폭 A를 크게 유지하기 위하여 프레임을 x축 방향으로 수평가진 하고, 코리올리힘이 바닥 웨이퍼기판에 대하여 수직방향(z)으로 작용하면 바닥 웨이퍼 표면을 감지전극으로 사용하여 센서질량체의 변동을 수직감지 한다. 이러한 감지방법은 다음과 같은 단점이 있다. 첫째, 바닥 웨이퍼기판 표면과 센서질량체 사이에 일정한 거리를 두고 떨어져 있는 전극을 균일하게 형성하기가 매우 어려우며, 둘째, 바닥 웨이퍼기판 위 감지전극과 바닥웨이퍼기판 사이에 기생정전용량이 존재하여 신호대잡음비가 작아져 자이로스코프의 성능 감도를 떨어뜨린다.On the other hand, in the conventional xy-axis gyroscope as shown in FIG. 2, when the frame is horizontally moved in the x-axis direction in order to maintain the excitation amplitude A large, and the Coriolis force acts in the vertical direction (z) with respect to the bottom wafer substrate, the bottom wafer surface Using this as a sensing electrode, vertical change of sensor mass is detected. This detection method has the following disadvantages. First, it is very difficult to form a uniformly spaced electrode at a certain distance between the surface of the bottom wafer substrate and the sensor mass. Second, the parasitic capacitance is present between the sensing electrode on the bottom wafer substrate and the bottom wafer substrate. It becomes smaller, which reduces the performance sensitivity of the gyroscope.
최근 Steven S. Nasiri는, 도 2 의 x-y축 자이로스코프에서, 바닥 웨이퍼 표면에 가진회로 및 감지회로를 집적한 후 그 위에 자이로 웨이퍼 및 캡 웨이퍼와 웨이퍼간진공패키지(wafer level vacuum packaging)를 하는 특별한 링크스프링 구조의 x-y축 자이로스코프 및 그 제조방법을 발명(US7,621,183; US6,939,473) 하였다. 그러나 이 기술은 무려 3장의 웨이퍼를 순차적으로 쌓아 올리므로 그 공정이 매우 복잡할 뿐만 아니라, 수율이 높은 CMOS 집적회로 위에 수율이 낮은 MEMS를 SoC(System on Chip)로 집적하므로 전체적으로 낮은 수율과 높은 제조원가를 가질 수밖에 없다는 단점이 있다.Recently, Steven S. Nasiri, in the xy-axis gyroscope of Figure 2, integrates the excitation circuitry and sensing circuitry on the bottom wafer surface, and then applies a gyro wafer and cap wafer and wafer level vacuum packaging on it. An xy axis gyroscope with a link spring structure and a method of manufacturing the same have been invented (US 7,621,183; US 6,939,473). However, this technology stacks up to three wafers in sequence, which makes the process very complicated. In addition, low-yielding MEMS is integrated into a System on Chip (SoC) on high-yield CMOS integrated circuits, resulting in low overall yields and high manufacturing costs. The disadvantage is that you have to have.
따라서 높은 양산 수율을 갖는 멤즈 기반의 자이로스코프 구조 및 제조 기술이 요구되는데 x-y축 자이로스코프에 대해서는 설계 단계에서부터 미세가공과 진공패키지에 대한 공정오차의 발생근원 자체를 줄이려는 어떠한 고안이나, 또는 그 영향을 줄이려는 어떤 고안도 아직까지 실현된 바가 없다.Therefore, MEMs-based gyroscope structures and manufacturing techniques with high production yields are required. For xy-axis gyroscopes, any design or influence to reduce the origin of process errors for micromachining and vacuum packages from the design stage itself, or their effects No design has yet been realized to reduce this.
US7,284,430; US7,621,183; US6,939,473; US5,747,690; US5,349,855; US5,757,103; US6,067,858; US6,122,961; US7,340,956; US8,035,176; US2002/0020219US 7,284,430; US 7,621,183; US6,939,473; US5,747,690; US5,349,855; US5,757,103; US6,067,858; US6,122,961; US 7,340,956; US8,035,176; US2002 / 0020219
본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 고안된 것으로서,The present invention has been devised in view of the above problems,
본 발명의 제1목적은, 프레임에 연결된 하나의 센서질량체에 대해 직선진동과 회전진동이 가능하도록 설계하여 상호 근접한 2개 이상의 감지 공진모드로 분리하고 센서 가진 공진주파수가 상호 근접한 2개 이상의 감지 공진주파수 사이에 항상 놓이게 함으로써, 센서질량체를 2개로 분리하지 않고도 미세가공 제조 오차에 강인한 멤즈 x-y축 자이로스코프 또는 z축 자이로스코프를 제공하는데 있다.The first object of the present invention is designed to enable linear and rotational vibration for one sensor mass connected to a frame, so that the sensor is separated into two or more sensing resonance modes in close proximity to each other, and two or more sensing resonances in which the resonance frequencies of the sensors are close to each other. By always being placed between frequencies, MEMS xy-axis gyroscopes or z-axis gyroscopes are resistant to microfabrication manufacturing errors without separating the sensor mass into two.
본 발명의 다른 제2목적은, 바닥 웨이퍼기판에 대하여 수직가진하고 센서질량체 동작을 수평감지하는 방식으로 웨이퍼기판의 바닥전극을 센서질량체 감지전극으로 사용할 때 필연적으로 발생하는 기생정전용량을 제거함으로써 신호대잡음비(SNR)가 개선된 x-y축 자이로스코프를 제공하는데 있다.Another second object of the present invention is to eliminate the parasitic capacitance inevitably generated when the bottom electrode of the wafer substrate is used as the sensor mass sensing electrode in a manner that the sensor has a vertical position with respect to the bottom wafer substrate and horizontally senses the sensor mass behavior. It is to provide an xy-axis gyroscope with an improved noise ratio (SNR).
본 발명의 또 다른 제3목적은, 하나의 자이로스코프를 구성하는 멤즈 기본 구조물들을 동일한 미세가공 공정 환경에 놓이도록 설계함으로써, 미세가공 공정오차에 강인한 멤즈 x-y축 자이로스코프 또는 z축 자이로스코프를 제공한다.Another third object of the present invention is to provide a MEMS xy-axis gyroscope or z-axis gyroscope that is robust to microfabrication process errors by designing the MEMs basic structures constituting one gyroscope in the same microfabrication process environment. do.
본 발명의 또 다른 제4목적은, 하나의 자이로 웨이퍼 전체에 걸쳐 개별적인 각 자이로스코프 칩이 동일한 진공패키지 공정 환경에 놓이도록 설계함으로써, 진공패키지 공정오차에 강인한 멤즈 x-y축 자이로스코프 또는 z축 자이로스코프를 제공한다.Another fourth object of the present invention is a MEMS xy-axis gyroscope or z-axis gyroscope that is robust to vacuum package processing errors by designing each individual gyroscope chip to be placed in the same vacuum package processing environment throughout one gyro wafer. To provide.
본 발명의 또 다른 제5목적은, 실리콘관통전극(tsv)에 의한 배선접속(interconnection) 방법을 적용하여 자이로스코프 내부와 외부 간의 배선을 구현함으로써, 제조부터 검사, 및 최종 패키지 단계까지 일괄 공정에 의한 자동화가 가능한 멤즈 x-y축 자이로스코프 또는 z축 자이로스코프를 제공한다.Another fifth object of the present invention is to implement the wiring between the inside and outside of the gyroscope by applying an interconnection method by a silicon through electrode (tsv), thereby producing a batch process from manufacturing to inspection to final package stage. MEMS xy-axis gyroscopes or z-axis gyroscopes are available.
상기 제1목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하나의 센서질량체에 대해 직선감지모드와 회전감지모드가 동시에 적용되는 특별한 형태의 스프링 및 감지전극을 제안한다. 이러한 구성에 의해, 도 6 과 같은 수직가진(vertical driving) 수평감지(lateral sensing) 형태의 x-y축 자이로스코프 또는 수평가진(lateral driving) 수직감지(vertical sensing) 형태의 x-y축 자이로스코프, 또는 도 5 와 같은 수평가진(lateral driving) 수평감지(lateral sensing) 형태의 z축 자이로스코프가 구현될 수 있다.In order to achieve the first object, the present invention proposes a special type of spring and the sensing electrode to which the linear sensing mode and the rotation sensing mode are simultaneously applied to one sensor mass. By such a configuration, the xy-axis gyroscope in the form of vertical driving or horizontal sensing as shown in FIG. 6 or the xy-axis gyroscope in the form of lateral driving vertical sensing, or FIG. A z-axis gyroscope in the form of lateral driving and lateral sensing may be implemented.
상기 다른 제2목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 도 6 과 같이 프레임을 z방향으로 수직가진하고 x-y평면상에서 센서질량체의 수평진동을 감지하도록 구성된 x-y축 자이로스코프를 제안한다. 이때, 프레임(10)을 수직가진 하기 위하여 바닥기판(60) 위의 일정영역에 붕소 또는 인이 도우핑 된 n 전극, 또는 p 전극을 형성하여 바닥전극(21,22,23,24)으로 각 사용하고, 자이로스코프 멤즈 구조는 기판에 n 또는 p 로 도우핑된 바닥전극을 갖는 미세가공공정이 단순한 SOI웨이퍼를 사용하며, 전체적인 패키지공정은 SOI웨이퍼와 Cap웨이퍼 2장을 먼저 본딩하여 자이로스코프 칩을 제작한 후 CMOS ROIC를 따로 제작하는 SiP(System-in-Package) 방법을 사용할 수 있다.In order to achieve the above second object, the present invention proposes an x-y axis gyroscope configured to vertically frame the frame in the z direction and detect horizontal vibration of the sensor mass on the x-y plane as shown in FIG. 6. At this time, in order to have the frame 10 vertically, an n electrode or a p electrode doped with boron or phosphorus is formed in a predetermined region on the bottom substrate 60 to form the bottom electrodes 21, 22, 23, and 24. The gyroscope MEMs structure uses a SOI wafer with a simple microfabrication process with a bottom electrode doped with n or p on the substrate, and the overall package process involves bonding two SOI wafers and a cap wafer first to a gyroscope chip. After fabrication, the SiP (System-in-Package) method can be used.
또한 상기 제1목적과 제2목적을 동시에 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에서는, 도 8, 및 도 12 와 같이, 바닥웨이퍼(60)의 바닥전극(21,23)을 통해 가해지는 역위상 정전력에 의하여 야기되는 비틀림진동으로 필연적으로 1쌍(one pair)의 역위상 수직방향 속도성분을 갖게 하는 프레임(10)을 포함하고, x-y평면상에 프레임(10)과 비연성결합 구조형태로 서로 연결되어 있는 2개의 센서질량체(30,32) 와; 프레임(10)에 x-y평면상의 하나의 축(y)을 중심으로 각속도가 입력될 때 센서질량체(30,32)가 그 축(y)에 수직인 다른 축(x) 방향으로 역위상 코리올리힘을 받아 서로 반대방향으로 작동하도록 센서질량체(30,32)를 x축에 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 4개 지점(36a,36b,38a,38b)에서 프레임(10)과 연결해 주는 각 지지스프링(36,38) 과; 각 센서질량체(30,32)의 직선진동, 및 회전진동에 대한 각 동작변위를 감지하기 위한 각 센서질량체 중심으로부터 좌우상하 양쪽으로 각각 분리 배치된 감지전극(41a,42a,43a,44a), 또는 감지전극(45a,46a,47a,48a)을 각각 포함하도록 구성한 x-y축 자이로스코프를 제안한다.In addition, in order to achieve the first object and the second object at the same time, in the first embodiment of the present invention, as shown in Figs. 8 and 12, it is applied through the bottom electrode 21, 23 of the bottom wafer 60 A torsional vibration caused by the antiphase electrostatic force, which inevitably includes a frame 10 having one pair of antiphase vertical velocity components, and a non-coupled structure with the frame 10 on the xy plane. Two sensor masses 30 and 32 connected to each other; When the angular velocity is input about one axis y on the xy plane to the frame 10, the sensor masses 30 and 32 are subjected to antiphase Coriolis forces in the direction of another axis x perpendicular to the axis y. Each support spring 36 which connects the sensor masses 30 and 32 to the frame 10 at four points 36a, 36b, 38a and 38b separated by a predetermined distance from the left and right on the x-axis so as to operate in opposite directions. , 38) and; Sensing electrodes 41a, 42a, 43a, 44a, which are arranged separately from left, right, up and down from the center of each sensor mass for sensing the linear vibrations of the respective sensor masses 30 and 32 and the respective movement displacements for the rotational vibrations, or An xy-axis gyroscope configured to include sensing electrodes 45a, 46a, 47a, and 48a, respectively.
또한 본 발명의 제2 실시예에서는, 센서질량체(30)와 센서질량체(32)가 각각 x-y평면에 평행을 유지하면서 z축 방향으로 동작하도록 구성하여, 제1 실시예에 비하여 2배의 코리올리힘을 받는 x-y축 자이로스코프를 제안한다. 그리고, 제2 실시예에 의한, 하나의 서로 독립된 두 개의 프레임과 두 개의 센서질량체로 구성된 x-y평면상의 1축 자이로스코프와, 상기 1축 자이로스코프와 크기와 형상이 동일한 또 다른 하나의 서로 독립된 두 개의 프레임과 두 개의 센서질량체로 구성된 x-y평면상의 1축 자이로스코프를 서로 평행하게 배열되도록 구성하면 x-y평면상에서 2축(x-y축)에 대한 각속도 측정이 가능한 멤즈 기반의 2축 자이로스코프가 된다.In addition, in the second embodiment of the present invention, the sensor mass 30 and the sensor mass 32 are configured to operate in the z-axis direction while keeping parallel to the xy plane, respectively, and are twice as high as Coriolis force as compared with the first embodiment. We propose an xy-axis gyroscope that receives And, according to the second embodiment, a single axis gyroscope on the xy plane consisting of two independent frames and two sensor masses, and another two independent ones of the same size and shape as the single axis gyroscope When the single axis gyroscope on the xy plane, which consists of two frames and two sensor masses, is arranged in parallel with each other, it becomes a Memes-based two-axis gyroscope that can measure the angular velocity about two axes (xy axis) on the xy plane.
본 발명에서는, 상기 또 다른 제3목적을 달성하기 위하여, 우선, 도 16 과 같이, 프레임(10)과 지지스프링(12,14,16), 및 센서질량체(31,33)와 지지스프링(36,38) 등 자이로 기본구성요소에 대하여 각각 같은 폭(width)과 같은 두께(depth)를 갖는 빔(beam)과 홀(hole)로 구성하여 가진 공진주파수 fd와 감지 공진주파수 fs를 각각의 공정오차에 둔감하게 할 것을 제안한다. 왜냐하면, 도 14 와 같이, 1자유도 가진모드에 대한 공진주파수가 fd=(1/2π)sqrt[Ktd/Jd] 이고, 또한 도 15 에 있어서, 1자유도 감지모드에 대한 공진주파수는 fs=(1/2π)sqrt[Ks/Ms] 이므로, 상기 각 공진주파수 식에서 Ktd(프레임 비틀림강성)와 Jd(프레임 질량관성모멘트), 또는 Ks(센서 굽힘강성)와 Ms(센서 질량) 사이의 각 파라메타 관계에서 각 스프링의 빔 폭과 두께, 및 프레임과 센서질량체를 구성하는 빔과 식각홀의 길이비가 상기 공진주파수에 큰 영향을 주기 때문이다.In the present invention, in order to achieve the third object, first, as shown in Fig. 16, the frame 10, the support springs 12, 14, 16, the sensor masses 31, 33, and the support spring 36 (38) Resonance frequency fd and sensing resonance frequency fs each composed of beam and hole having the same width and depth with respect to the gyro basic components Offer to desensitize. Because, as shown in Fig. 14, the resonance frequency for the one degree of freedom mode is fd = (1 / 2π) sqrt [Ktd / Jd], and in Fig. 15, the resonance frequency for the one degree of freedom detection mode is fs =. Since (1 / 2π) sqrt [Ks / Ms], each parameter between Ktd (frame torsional stiffness) and Jd (frame mass inertia moment), or Ks (sensor bending stiffness) and Ms (sensor mass) This is because the beam width and thickness of each spring and the ratio of the length of the beam and the etching hole constituting the frame and the sensor mass have a great influence on the resonance frequency.
그 다음으로, 도 16 의 상기 자이로 기본구성요소를 그대로 사용함과 동시에, 도 17 과 같이, ①프레임(10)과 센서(30,32)의 각 빔 폭과 두께를 서로 같게 하며, ②프레임 지지스프링의 빔(12,14,16)과 센서질량체 지지스프링의 빔(36a,36b,38a,38b)을 서로 평행하게 배열하고, ③각 지지스프링 측면에 더미스프링(13,17)을 추가할 것을 제안한다. 그렇게 함으로써 비록 상기 두 개의 공진주파수가 변한다 하더라도 같은 간격을 유지하며 변하게 하여 서로 같은 공정오차 의존성을 갖도록 하기 위함이다.Next, while using the gyro basic components of FIG. 16 as they are, as shown in FIG. 17, the beam widths and thicknesses of the frame 10 and the sensors 30 and 32 are equal to each other, and the frame support springs. It is proposed to arrange the beams 12, 14 and 16 of the beams and the beams 36a, 36b, 38a, and 38b of the sensor mass support springs in parallel with each other, and to add dummy springs 13 and 17 to the side of each support spring. do. By doing so, even if the two resonant frequencies are changed to maintain the same interval so as to have the same process error dependence each other.
본 발명에서는, 상기 또 다른 제4목적을 달성하기 위하여, 도 23 과 같이, 캡 웨이퍼(80)가 진공 밀폐벽 외부에 전면(front side)에서 배면(back side)까지 완전히 뚫린 공기 관통홀(through hole) (83) 들을 갖도록 할 것을 제안한다. 그렇게 함으로써, SOI MEMS웨이퍼(70)와 캡 웨이퍼(80) 에 대한 진공챔버(vacuum chamber) 내 웨이퍼간밀폐접착(wafer level hermetic sealing) 단계에서 웨이퍼 전체에 대해 개별적인 자이로스코프 칩들의 진공공정 조건이 균일하게 유지되도록 한다. 이렇게 하면 가진/감지 각 모드에서의 최대진폭비 Q 값의 칩별 편차를 최소한으로 유지할 수 있다.In the present invention, in order to achieve the fourth object, as shown in Fig. 23, the air through hole through which the cap wafer 80 is completely drilled from the front side to the back side outside the vacuum sealing wall. hole) (83). By doing so, the vacuum processing conditions of the individual gyroscope chips for the entire wafer are uniform in the wafer level hermetic sealing step in the vacuum chamber for the SOI MEMS wafer 70 and the cap wafer 80. To be maintained. This keeps the chip-to-chip deviation of the maximum amplitude ratio Q value in each excitation / detection mode to a minimum.
본 발명에서는, 상기 또 다른 제5목적을 달성하기 위하여, 도 22, 및 도 23 과 같이, 웨이퍼간밀폐접합(60,70,80) 공정 후에, 바닥 웨이퍼(60)의 배면과 바닥 웨이퍼 전면 도핑전극(21,22,23,24) 사이의 배선접속(interconnection)을 위한 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b) 과; 바닥 웨이퍼(60)의 배면과 멤즈 SOI웨이퍼(70) 구조물 사이의 배선접속을 위한 실리콘관통전극(26b,41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b)을 각각 제작할 것을 제안한다.In the present invention, in order to achieve the fifth object, as shown in FIGS. 22 and 23, after the wafer-to-wafer sealing (60, 70, 80) process, the back surface of the bottom wafer 60 and the bottom wafer front doping. Silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b for interconnection between the electrodes 21, 22, 23, 24; It is proposed to fabricate the silicon through electrodes 26b, 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b, 47b, 48b, respectively, for wiring connection between the bottom surface of the bottom wafer 60 and the MEMS SOI wafer 70 structure.
한편, 실리콘관통전극(TSV; Through Silcon Via))을 뚫기 위해서는 바닥 웨이퍼(60) 두께가 얇아지므로, 도 23 과 같이, 프레임(10)에 대한 수직가진 진동에너지를 바닥 웨이퍼기판(60)과 상기 캡(80)으로 각각 분산시키기 위하여, 멤즈 구조물의 보호를 위한 캡(80)에, 바닥 웨이퍼기판(60)에 고정된 프레임 앵커(25,26)와의 접합을 위한 기둥(78,79)을 더 포함할 수 있다.On the other hand, since the thickness of the bottom wafer 60 becomes thin so as to penetrate through the silicon through electrode (TSV; TSV), as shown in FIG. In order to disperse the caps 80 separately, the caps 80 for protecting the MEMs structure are further provided with pillars 78 and 79 for joining to the frame anchors 25 and 26 fixed to the bottom wafer substrate 60. It may include.
본 발명에 의한 멤즈 기반의 x-y축 또는 z축 자이로스코프는,MEMS-based x-y or z-axis gyroscope according to the present invention,
첫째, 질량이 하나인 센서질량체(30,32)에 대한 가진 공진주파수(fd)를 2개의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂) 사이의 주파수 대역에 있도록 설계하였으므로, 자이로 구조물에 대한 미세가공 공정오차 발생에도 불구하고, 가진 공진주파수와 감지 공진주파수 간의 근접관계(△fs)는 거의 그대로 유지되어 센서질량체(30,32) 감지진폭(As)에 거의 변동이 없다는 장점이 있다.First, because the designed resonant frequency (fd) for the sensor mass (30, 32) with one mass is designed to be in the frequency band between the two sensed resonance frequencies (fs₁, fs₂), micro machining process error for the gyro structure Nevertheless, the proximity Δfs between the resonant frequency and the sensed resonance frequency is maintained almost intact, so that there is almost no change in the sensed amplitude As of the sensor masses 30 and 32.
둘째, 웨이퍼기판 위 바닥전극을 프레임(10)을 수직가진하는데 사용하고, 수평전극을 센서질량체(30,32)의 직선진동과 회전진동을 감지하는데 사용함으로써 웨이퍼기판 전극(21,23)을 감지전극으로 사용할 때 필연적으로 발생하는 기생정전용량으로 인한 신호대잡음비(SNR)가 떨어지는 문제점을 개선할 수 있다. 이러한 방법은, 바닥 웨이퍼(60)와 자이로 웨이퍼(70) 사이의 기하학적 간격의 한계로 인하여 센서질량체(30,32) 가진진폭(A)이 작아지는 단점이 있지만, 이 단점은 가진주파수를 높임으로써 해결이 가능하다.Second, the bottom electrode on the wafer substrate is used to vertically frame the frame 10, and the horizontal electrode is used to detect the linear and rotational vibrations of the sensor masses 30 and 32 to detect the wafer substrate electrodes 21 and 23. When using as an electrode, the problem that the signal-to-noise ratio (SNR) due to parasitic capacitance inevitably occurs can be improved. This method has a disadvantage in that the amplitude A of the sensor masses 30 and 32 becomes small due to the limitation of the geometric gap between the bottom wafer 60 and the gyro wafer 70, but this disadvantage is caused by increasing the excitation frequency. A solution is possible.
셋째, 프레임 지지스프링(14,16)과 센서질량체 지지스프링(36,38)을 평행하게 배열하고, 모든 빔 폭과 빔 두께를 동일하게 구성하였고, 또한 프레임(10)과 센서질량체(30,32) 각 평판을 각 지지스프링의 빔 폭과 같은 크기의 빔 및 같은 크기의 홀로 구성하였으므로, 자이로 구조물에 대한 미세가공 공정오차 발생에도 불구하고, 센서질량체(30,32)에 대한 가진 공진주파수와 감지 공진주파수 간의 근접관계(△fs)가 그대로 유지되어 센서질량체(30,32)의 감지진폭(As)에 변동이 없다.Third, the frame support springs 14 and 16 and the sensor mass body support springs 36 and 38 were arranged in parallel, and all beam widths and beam thicknesses were configured to be the same, and the frame 10 and the sensor mass bodies 30 and 32 were also arranged in parallel. ) Each plate is composed of beams of the same size and holes of the same size as the beam width of each support spring, so that despite the occurrence of micro-processing process error for the gyro structure, the excitation frequency and the detection of the sensor mass (30, 32) The proximity Δfs between the resonant frequencies is maintained as it is, and there is no change in the sensed amplitude As of the sensor masses 30 and 32.
넷째, 각각의 개별적인 자이로 칩에 대하여 공기 관통홀(83)이 뚫린 캡 웨이퍼(80)를 사용하여 진공챔버 내 웨이퍼간밀폐접착을 하였으므로, 웨이퍼 전체에서 개별적인 자이로스코프 칩들의 진공도가 거의 균일하게 유지되고, 그 결과 센서질량체(30,32) 감지모드에서의 최대진폭비 Q 값에 변동이 없게 하였다.Fourth, since the wafer wafer was sealed in the vacuum chamber by using the cap wafer 80 with the air through-hole 83 drilled on each individual gyro chip, the vacuum of the individual gyroscope chips is maintained almost uniform. As a result, the maximum amplitude ratio Q value in the sensor mass body 30 and 32 sensing mode was not changed.
마지막으로, 미세가공 공정이 단순한 SOI 웨이퍼를 MEMS 구조로 사용하였을 뿐만 아니라, 실리콘관통전극에 의한 배선접속(tsv interconnection) 방법을 사용하여 자이로스코프 내부와 외부 간의 배선을 하였으므로, 멤즈 기반의 자이로스코프의 제조부터 검사, 및 최종 패키지 단계까지 일괄공정에 의한 자동화가 가능하게 되어 전체적인 제조원가가 저렴해지는 특징이 있다.Finally, not only the SOI wafer with a simple microfabrication process was used as the MEMS structure, but also the wiring between the inside and outside of the gyroscope using the tsv interconnection method by the silicon through electrode. It is possible to automate by batch process from manufacturing to inspection and final package stage, and the overall manufacturing cost is low.
도 1 은, 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 2 는, 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수직감지 모드의 x-y축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 3 은, 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프, 또는 종래의 1자유도 수평가진 1자유도 수직감지 모드의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 나타낸 도면이다.
도 4 는, 종래의 1자유도 수평가진 2자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 5 는, 본 발명의 1자유도 수평가진 2자유도 수평감지 모드의 z축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 6 은, 본 발명의 1자유도 수직가진 2자유도 수평감지 모드의 x-y축 자이로스코프의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 7 은, 도 6 과 같은, 본 발명의 1자유도 수직가진 2자유도 수평감지 모드의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 나타낸 도면이다.
도 8 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직가진 수평감지 x-y축 자이로스코프 평면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9 는, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서 프레임(10), 및 지지스프링(12,14,16)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서 센서질량체(30,32), 및 지지스프링(36,38), 및 감지전극을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프의 AA'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13 은, 도 11 의 형태들이 작동 시 움직이는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 프레임(10), 및 지지스프링(12,14,16)에 대한 수학적 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 센서질량체(30,32), 및 지지스프링(36a,36b,38a,38b)에 대한 수학적 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서 식각홀(etching holl)을 포함하고 있는 프레임(10), 및 센서질량체(30,32)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 17 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서 프레임 지지스프링(14,16) 옆에 추가 부착한 더미빔스프링(13,17)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 18 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 1자유도 수직가진 1자유도 수평감지 모드의 경우에 대하여 센서질량체 지지스프링(36,38) 빔폭의 공정오차가 가진 공진주파수와 감지 공진주파수에 주는 변화에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 19 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 1자유도 수직가진 1자유도 수평감지 모드의 경우에 대하여 프레임 지지스프링(12,14,16) 빔폭의 공정오차가 가진 공진주파수와 감지 공진주파수에 주는 변화에 대한 시뮬레이션 결과 이다.
도 20 은, 도 14 및 도 15 에 있어서 센서스프링(36,38) 위치 변화에 따른 센서질량체(30,32)의 가진 공진주파수, 및 감지 공진주파수에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 21 은, 도 14 및 도 15 에 있어서, 프레임 지지스프링(12,14,16), 및 센서질량체 지지스프링(36,38), 및 프레임(10), 및 센서질량체(30,32)가 도 16 및 도 17 과 같이 구성되었을 때, 공정오차 백분율에 대한 센서질량체(30,32)의 가진 공진주파수, 및 감지 공진주파수 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 22 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 바닥 웨이퍼기판 위 n, 또는 p 도우핑전극(21,22,23,24), 및 더미금속패드(21a,22a,23a,24a), 및 밀폐벽(hermetic sealing wall) (72), 및 실리콘관통전극 배선(tsv interconnection)을 개략적으로 나타낸 평면 도면이다.
도 23 은, 도 22 의 x-y축 자이로스코프에서 BB'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 24 는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직가진 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프 평면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 25 및 도 26 은, 도 24의 형태들이 작동 시 움직이는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 27 은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 바닥 웨이퍼(60), 및 자이로 웨이퍼(70)에 대한 미세제조공정들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 28 은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 캡 웨이퍼(80) 에 대한 미세제조공정들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 29 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 자이로 웨이퍼(70)와 캡 웨이퍼(80)에 대한 웨이퍼레벨진공패키지(wafer level vacuum package) 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 30 은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 실리콘관통전극 배선(TSV interconnection)에 대한 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
1 is a view showing the operation principle of the z-axis gyroscope of the conventional one degree of freedom horizontal sensing mode having one degree of freedom.
2 is a view showing the operation principle of the xy-axis gyroscope of the conventional 1 degree of freedom horizontal sensing 1 degree of freedom vertical sensing mode.
FIG. 3 shows a frequency response curve for a z-axis gyroscope in a conventional 1 degree of freedom horizontal sensing mode and a xy axis gyroscope in a conventional 1 degree of freedom horizontal sensing mode. to be.
4 is a view showing the operation principle of the z-axis gyroscope in the conventional two degree of freedom horizontal sensing mode with one degree of freedom.
5 is a view showing the operation principle of the z-axis gyroscope of the two degrees of freedom horizontal sensing mode having a degree of freedom of the present invention.
6 is a view showing the operating principle of the xy-axis gyroscope of the two degrees of freedom horizontal sensing mode with one degree of freedom vertical.
FIG. 7 is a diagram illustrating a frequency response curve of an xy-axis gyroscope in a single degree of freedom vertical sensing two degree of freedom horizontal sensing mode of the present invention as shown in FIG. 6.
FIG. 8 is a view schematically showing a horizontal sensing xy-axis gyroscope plane with a vertical according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 schematically shows the frame 10 and support springs 12, 14, 16 in the xy-axis gyroscope of FIG. 8.
FIG. 10 is a view schematically showing the sensor masses 30 and 32, the support springs 36 and 38, and the sensing electrode in the xy-axis gyroscope of FIG.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view taken along line AA ′ of the xy-axis gyroscope of FIG. 8.
12 and 13 are diagrams schematically showing a state in which the forms of FIG. 11 move in operation.
14 is a schematic diagram of a mathematical model of the frame 10 and the support springs 12, 14, 16 in an xy-axis gyroscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a mathematical model of sensor masses 30 and 32 and support springs 36a, 36b, 38a and 38b in an xy-axis gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic view of the frame 10 and the sensor masses 30 and 32 including an etching holl in the xy-axis gyroscope of FIG. 8.
FIG. 17 is a view schematically showing dummy beam springs 13 and 17 additionally attached to the frame support springs 14 and 16 in the xy-axis gyroscope of FIG. 8.
18 is a resonance frequency of a process mass of beam mass support springs 36 and 38 with respect to the xy-axis gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention in the case of the 1 degree of freedom and 1 degree of freedom horizontal sensing mode. And simulation results for the change in the sensed resonance frequency.
FIG. 19 illustrates resonance of an xy-axis gyroscope according to an embodiment of the present invention having a process error of the beam widths of the frame support springs 12, 14, and 16 in the case of the 1 degree of freedom and the 1 degree of freedom horizontal sensing mode. Simulation results for changes in frequency and sense resonant frequency.
FIG. 20 is a simulation result of the resonant frequencies and the sensed resonance frequencies of the sensor masses 30 and 32 according to the positional changes of the sensor springs 36 and 38 in FIGS. 14 and 15.
FIG. 21 shows the frame support springs 12, 14, 16, the sensor mass support springs 36, 38, the frame 10, and the sensor mass bodies 30, 32 in FIGS. 14 and 15. 16 and 17, it is a simulation result showing the excitation resonant frequency of the sensor masses 30 and 32 and the change in the sensed resonance frequency with respect to the process error percentage.
Fig. 22 shows n or p doping electrodes 21, 22, 23, 24, and dummy metal pads 21a, 22a, 23a, 24a on a bottom wafer substrate in an xy axis gyroscope according to an embodiment of the present invention. ), And a hermetic sealing wall 72, and a tsv interconnection.
FIG. 23 is a schematic sectional view taken along line BB 'of the xy-axis gyroscope of FIG.
24 is a diagram schematically illustrating a horizontally sensed xy-axis gyroscope plane according to another embodiment of the present invention.
25 and 26 are diagrams schematically showing a state in which the forms of FIG. 24 move in operation.
FIG. 27 schematically illustrates microfabrication processes for the bottom wafer 60 and the gyro wafer 70 in the xy-axis gyroscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 28 schematically illustrates microfabrication processes for the cap wafer 80 in the xy-axis gyroscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 29 schematically illustrates a wafer level vacuum package process for a gyro wafer 70 and a cap wafer 80 in an xy-axis gyroscope according to an embodiment of the present invention.
30 is a schematic view illustrating a manufacturing process for a TSV interconnection in an xy-axis gyroscope according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
작동원리(How it Works( OperationOperation FundamentalsFundamentals ))
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 의한 수평가진 수평감지 형태의 z축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 6 은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 수직가진 수평감지 형태의 x-y축 자이로스코프 구동 원리를 설명하기 위한 개념도이며, 도 7 은 도 6 의 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 도시한 그래프이다.5 is a conceptual diagram illustrating a principle of driving a horizontal axis-type z-axis gyroscope according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an xy axis of a vertical-type horizontal sensing type according to another embodiment of the present invention. 7 is a conceptual diagram illustrating a gyroscope driving principle, and FIG. 7 is a graph illustrating a frequency response curve of the xy-axis gyroscope of FIG. 6.
도 5 의 수평가진 수평감지 형태의 z축 자이로스코프 또는 도 6 의 수직가진 수평감지 형태의 x-y축 자이로스코프 와 같이, 하나의 센서질량체에 대해 직선감지모드와 회전감지모드가 동시에 적용되도록 특별한 형태의 스프링과 특별한 형태의 감지전극을 제공하여 1자유도 가진모드와 2자유도 감지모드가 가능하도록 구성하였다. 이와 같은 본 발명의 원리는 수평가진 수직감지 형태의 x-y축 자이로스코프를 포함한 모든 형태의 멤즈 기반의 자이로스코프에 대해서도 적용 가능하다.As shown in FIG. 5, the horizontal sensing z-axis gyroscope or the vertical sensing xy-axis gyroscope of FIG. 6, the linear sensing mode and the rotation sensing mode are simultaneously applied to one sensor mass. A spring and a special type of sensing electrode were provided to enable 1 degree of freedom mode and 2 degree of freedom sensing mode. The principle of the present invention is applicable to all types of MEMs-based gyroscopes, including the vertical sensing x-y axis gyroscope.
도 7 은, 도 6 과 같은 1자유도 수직 가진모드와 2자유도 수평 감지모드를 갖는 x-y축 자이로스코프에 대한 주파수응답곡선을 보여주고 있다. 도 7 을 보면, 도 6 과 같이 변수가 각각 x(t) 및 φ(t)인 2자유도 센서질량체는 각각 2개의 동일한 피크(peak) 공진주파수 fs₁, fs₂를 갖는 직선(x) 방향의 감지모드에 대한 주파수응답곡선과 회전(φ) 방향의 감지모드에 대한 주파수응답곡선을 갖는다. 만일, 도 6 의 센서질량체를 최대가진진폭 Ad와 가진주파수 fd로 수직가진하면, 센서질량체는 x방향의 코리올리힘 Fc에 의하여 최대진폭 As_x 를 갖는 직선진동 x(t) 와 최대진폭 As_φ 를 갖는 회전진동 φ(t) 가 서로 선형적으로 결합되어 진동한다. 따라서 도 6 의 2개의 감지전극(Ra), 및 감지전극(Rb) 위치에서 출력신호 값은 각각 Ra_x(t)=x(t)+r₁φ(t), 및 Rb_x(t)=x(t)-r₂φ(t) 가 된다.FIG. 7 shows a frequency response curve for an x-y axis gyroscope having a 1 degree of freedom vertical excitation mode and a 2 degree of freedom horizontal sensing mode as shown in FIG. 6. Referring to FIG. 7, as shown in FIG. 6, two degrees of freedom sensor masses having variables x (t) and φ (t), respectively, are detected in a straight line (x) direction having two identical peak resonant frequencies fs₁ and fs₂. It has a frequency response curve for the mode and a frequency response curve for the sensing mode in the rotation (φ) direction. If the sensor mass of Fig. 6 is vertically propagated at the frequency fd with the maximum amplitude of amplitude Ad, the sensor mass is rotated with the linear amplitude x (t) having the maximum amplitude As_x and the maximum amplitude As_φ by the Coriolis force Fc in the x direction. The vibration φ (t) is linearly coupled to each other and vibrates. Accordingly, the output signal values at the two sensing electrodes Ra and the sensing electrode Rb of FIG. 6 are Ra_x (t) = x (t) + r₁φ (t), and Rb_x (t) = x (t), respectively. -r₂φ (t)
이와 같이 도 5 와 같은 z축 자이로스코프에 대하여, 또는 도 6 과 같은 x-y축 자이로스코프에 대하여, 또는 다른 형태의 모든 x-y축 또는 z축 멤즈 기반의 자이로스코프에 대하여, 하나의 질량을 갖고 있지만 코리올리힘 방향의 직선 감지모드(x), 및 코리올리힘 방향과 수직인 축 중심으로의 회전 감지모드(φ) 작동을 동시에 하도록 센서질량체에 대한 지지스프링을 설계함으로써 독립변수가 2개이고 그에 따른 2개의 공진주파수를 각각 갖게 할 수 있다.As such, for a z-axis gyroscope as shown in FIG. 5, or for an xy axis gyroscope as shown in FIG. 6, or for all other xy-axis or z-axis mem-based gyroscopes. By designing a support spring for the sensor mass to simultaneously operate the linear sensing mode (x) in the direction of force and the rotation sensing mode (φ) about the axis center perpendicular to the Coriolis force direction, two independent variables with two resonances Each frequency can be given.
도 14 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 수직으로 가진되는 프레임(10)과 지지스프링(12,14,16)에 대한 1자유도 수학적 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 14 에서, 프레임(10)은 제1센서질량체(30)와 제2센서질량체(32)가 서로 수직방향의 역위상 진동성분을 갖도록 가진한다. FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a one degree of freedom mathematical model for a frame 10 and support springs 12, 14, and 16 that are vertically excited in an x-y axis gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention. In FIG. 14, the frame 10 has an excitation such that the first sensor mass 30 and the second sensor mass 32 have anti-phase vibration components perpendicular to each other.
도 14 에서, 프레임(10) 진동방정식은 수학식 1과 같다.In FIG. 14, the vibration equation of the frame 10 is represented by Equation 1 below.
Figure pat00001
Figure pat00001
여기서, Jd는 센서질량체(30,32)를 포함한 프레임(10) 전체에 대한 질량관성모멘트(mass moment of inertia)이고, kt₁과 kt₂는 각각 지지스프링(12,14)에 대한 빔의 비틀림강성(torsional stiffness)이며, α는 지지스프링(12,14,16) 간의 간격비를 의미한다. 식 오른쪽의 2L₁Fes(t)항은 프레임(10)과 바닥전극(21,23) 사이의 정전력 Fes(t)에 의해 야기되는 토오크(torque)이고, Φ(t)는 프레임(10)에 대한 y축 중심의 회전각도를 의미한다.Where Jd is the mass moment of inertia for the entire frame 10 including the sensor masses 30 and 32, and kt₁ and kt₂ are the torsional stiffness of the beam relative to the support springs 12 and 14, respectively. torsional stiffness), and α denotes an interval ratio between the support springs 12, 14, and 16. The 2L₁Fes (t) term on the right side of the equation is the torque caused by the electrostatic force Fes (t) between the frame 10 and the bottom electrodes 21, 23, and Φ (t) is The rotation angle around the y axis.
상기 프레임(10) 진동방정식에서 계산된 프레임(10)의 공진주파수는 수학식 2와 같다.The resonance frequency of the frame 10 calculated by the vibration equation of the frame 10 is expressed by Equation 2.
Figure pat00002
Figure pat00002
도 15 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 수평감지 되는 센서질량체(30,32)와 지지스프링(36,38)에 대한 수학적 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 15 schematically illustrates a mathematical model of sensor masses 30 and 32 and support springs 36 and 38 horizontally sensed in an x-y axis gyroscope according to an exemplary embodiment of the present invention.
센서질량체(30,32)는 각각 하나의 질량체이므로 3차원 공간에서 6자유도(Degree of Freedom)를 가지고 있으며, 서로 다른 크기의 3개의 직선방향(x,y,z) 공진주파수와 3개의 회전방향(x,y,z) 공진주파수를 각각 갖는다. 도 15 에 있어서, 코리올리힘 방향의 직선진동(x)과 코리올리힘과 수직방향인 z축 중심의 회전진동(φ)에 관련된 2개의 공진주파수를 서로 근접하게 하고, 다른 공진주파수들은 훨씬 더 높거나 또는 훨씬 낮은 공진주파수를 갖도록 설계할 수 있다.Since the sensor masses 30 and 32 each have one mass, they have six degrees of freedom in three-dimensional space, and three linear (x, y, z) resonant frequencies and three rotations of different sizes. Direction (x, y, z) has a resonant frequency, respectively. In Fig. 15, two resonant frequencies related to the linear vibration (x) in the Coriolis force direction and the rotational vibration (φ) around the z-axis perpendicular to the Coriolis force are brought close to each other, and the other resonant frequencies are much higher or Alternatively, it can be designed to have a much lower resonance frequency.
도 15 에서, 센서질량체(30,32)에 대한 진동방정식은 수학식 3 과 같다.In Figure 15, the vibration equation for the sensor mass (30, 32) is the same as the equation (3).
Figure pat00003
Figure pat00003
여기서, Js는 센서질량체(30,32)의 질량관성모멘트(mass moment of inertia)이고, ms는 센서질량체(30,32)의 질량이고, k₁과 k₂는 각 지지스프링(36a,36b,38a,38b)의 굽힘강성(bending stiffness)이다. s₁과 s₂는 각 센서질량체(30,32)의 기하학적 중심 Ο부터 지지스프링(36a,36b,38a,38b) 까지의 거리이며, r₁과 r₂는 각 센서질량체(30,32)의 기하학적 중심 Ο부터 차등감지전극(41a,43a;45a,47a)의 각 중간지점 Ra, 또는 차등감지전극(42a,44a;46a,48a)의 각 중간지점 Rb 까지의 거리를 각각 의미한다.Where Js is the mass moment of inertia of the sensor masses 30 and 32, ms is the mass of the sensor masses 30 and 32, and k ₁ and k ₂ are the respective support springs 36a, 36b, 38a, Bending stiffness of 38b). s₁ and s₂ are the distance from the geometric center of each sensor mass (30,32) to the support springs (36a, 36b, 38a, 38b), and r₁ and r₂ are from the geometric center of each sensor mass (30,32) It means the distance to each intermediate point Ra of the differential sensing electrodes 41a, 43a; 45a, 47a, or each intermediate point Rb of the differential sensing electrodes 42a, 44a; 46a, 48a.
그리고, Fc(t)는 x방향의 코리올리힘을 의미하고, 변수 x(t)는 센서질량체(30,32)의 직선진동 변위(displacement)를, 변수 φ(t)는 센서질량체(30,32)의 회전진동에 대한 각도(angle)를 각각 의미한다. 따라서 도 15 와 같이, 센서질량체(32)의 차등감지전극(45a,47a)에 대한 중간지점 Ra의 x방향 직선진동 진폭은 센서질량체(32)의 직선/회전 진동모드가 선형적으로 결합된 Ra_x(t) = x(t) + r₁φ(t) 이고, 또한 센서질량체(32)의 차등감지전극(46a,48a)에 대한 중간지점 Rb의 x방향 직선진동 진폭은 센서질량체(32)의 직선/회전 진동모드가 선형적으로 결합된 Rb_x(t) = x(t) - r₂φ(t) 이 된다.Fc (t) denotes the Coriolis force in the x direction, the variable x (t) denotes the linear vibration displacement of the sensor masses 30 and 32, and the variable φ (t) denotes the sensor mass bodies 30 and 32. The angle means the angle of rotation (). Accordingly, as shown in FIG. 15, the linear vibration amplitude in the x direction of the intermediate point Ra with respect to the differential sensing electrodes 45a and 47a of the sensor mass 32 is Ra_x in which the linear / rotation vibration mode of the sensor mass 32 is linearly coupled. (t) = x (t) + r₁φ (t), and the linear vibration amplitude in the x direction of the intermediate point Rb with respect to the differential sensing electrodes 46a and 48a of the sensor mass 32 is linear / Rb_x (t) = x (t)-r₂φ (t) combined with the linear vibration mode.
상기 도 15 에서, 센서질량체(30), 또는 센서질량체(32)에 대한 진동방정식을 풀면, x-y평면상에서 각 센서질량체(30,32)에 대한 2개의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂)를 수학식 4와 같이 구할 수 있다.In FIG. 15, when the vibration equations for the sensor mass 30 or the sensor mass 32 are solved, the two sensed resonance frequencies fs ₁ and fs 2 for each sensor mass 30 and 32 on the xy plane are expressed by the following equation. It can be obtained as shown in 4.
Figure pat00004
Figure pat00004
여기서, wx²=(k₁² + k₂²)/ms 이고, wo²=(k₁s₁² + k₂s₂²)/Jc 이며, K₁²=(k₁s₁- k₂s₂)/ms 이며, K₂²=(k₁s₁- k₂s₂)/Js 이다.Here, wx² = (k₁² + k₂²) / ms, wo² = (k₁s₁² + k₂s₂²) / Jc, K₁² = (k₁s₁-k₂s₂) / ms, and K₂² = (k₁s₁-k₂s₂) / Js.
만일, 도 15 에서, 스프링상수 k₁, k₂또는 거리 s₁, s₂값을 서로 근사하게 접근시키면, x-y평면상에서 각 센서질량체(30,32)에 대한 2개의 감지 공진주파수(fs₁, fs₂)를 설계 목표에 맞게 조정할 수 있다.If, in FIG. 15, the spring constant k₁, k₂ or distance s₁, s₂ values are approximated to each other, two sensing resonance frequencies (fs₁, fs₂) for each sensor mass (30, 32) on the xy plane are designed. You can adjust it accordingly.
한편 도 15 에서, 각 센서질량체(30,32)가 회전 감지모드가 없고, 직선 감지모드만 있는 1자유도 감지시스템 경우의 각 센서질량체(30,32)의 감지 공진주파수는 fs=(1/2π)*sqrt(ks/ms) 이다. 여기서 ks는 직선방향에 대한 전체스프링 강성으로서 ks=2(k₁+k₂) 이고, ms는 센서질량체(30,32) 질량이다.On the other hand, in Fig. 15, the sensing resonance frequency of each sensor mass (30, 32) in the case of one degree of freedom detection system in which each sensor mass (30, 32) does not have a rotation sensing mode and only a linear sensing mode is fs = (1 / 2π) * sqrt (ks / ms). Where ks is the total spring stiffness in the linear direction, ks = 2 (k ₁ + k 2), and ms is the mass of the sensor mass (30, 32).
이와 같이, 도 15 에서, 각 센서질량체(30,32)에 직선 감지모드만 있는 1자유도 감지시스템 경우에 대하여;Thus, in Fig. 15, for the case of one degree of freedom sensing system in which each sensor mass 30,32 has only a linear sensing mode;
도 18 은, 센서질량체 지지스프링(36,38)을 구성하는 빔 폭(5um)에 대한 식각공정 오차(백분율)가 97[%] 에서 103[%] 까지 달라질 때의 프레임(10)의 가진 공진주파수 fd와 센서질량체(30,32)의 감지 공진주파수 fs 변화를 나타낸 매트랩 시뮬레이션 결과이다. 도 18 를 보면, 센서질량체 지지스프링(36,38)에 대한 빔폭의 미세한 가공오차에 대해서도 감지 공진주파수 fs는 급격히 변한다. 예를 들면, 1%의 미세한 빔폭 가공오차는 가진/감지 공진주파수 차이를 Δf=240Hz(=fs-fd), 2%의 빔폭 가공오차는 가진/감지 공진주파수 차이를 Δf=500Hz 까지 크게 벌여놓는다. 이 결과를 도 3 의 주파수응답곡선과 비교해 보면, 동일한 진공도에서 감지진폭 As는 피크값에 비해 약 30%에서 10%까지 떨어진다.Fig. 18 shows the excitation resonance of the frame 10 when the etching process error (percentage) for the beam width 5um constituting the sensor mass support springs 36 and 38 varies from 97 [%] to 103 [%]. It is a Matlab simulation result showing the change of the frequency fd and the sensed resonance frequency fs of the sensor masses 30 and 32. Referring to Fig. 18, the detection resonance frequency fs changes abruptly even with the minute machining error of the beam width with respect to the sensor mass support springs 36 and 38. For example, a fine beamwidth processing error of 1% widens the excitation / detection resonance frequency difference to Δf = 240Hz (= fs-fd), and a 2% beamwidth processing error widens the excitation / detection resonance frequency difference to Δf = 500Hz. . Comparing this result with the frequency response curve of FIG. 3, at the same degree of vacuum, the detected amplitude As drops from about 30% to 10% relative to the peak value.
도 19 는, 프레임 지지스프링(12,14,16)을 구성하는 빔 폭(5um)에 대한 식각공정 오차(백분율)가 97[%] 에서 103[%] 까지 달라질 때의 프레임(10)의 가진 공진주파수 fd와 센서질량체(30,32)의 감지 공진주파수 fs의 변화를 나타낸 매트랩 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 19 를 보면, 프레임 지지스프링(12,14,16)에 대한 빔폭의 미세한 가공오차에 대해서도 가진 공진주파수 fd가 급격히 달라지는 것을 볼 수 있다. 이 현상은 도 18 과 같다.19 shows the excitation of the frame 10 when the etching process error (percentage) for the beam width 5um constituting the frame support springs 12, 14, 16 varies from 97 [%] to 103 [%]. Matlab simulation results showing the change in the resonance frequency fd and the sensing resonance frequency fs of the sensor masses 30 and 32 are shown. 19, it can be seen that the resonant frequency fd with respect to the fine processing error of the beam width with respect to the frame support springs 12, 14, and 16 is drastically changed. This phenomenon is as shown in FIG.
도 20 은, 도 14 및 도 15 의 수학적 모델에 대하여, k₁=k₂, s₁=s₂조건에서 센서스프링(36,38)의 위치 s₁변동에 따른 센서의 가진/감지 공진주파수(fs₁,fs₂)에 대한 매트랩 시뮬레이션 결과이다.Fig. 20 shows the excitation / detection resonance frequencies (fs₁, fs₂) of the sensor according to the position s₁ variation of the sensor springs 36, 38 under k38 = k₂ and s₁ = s₂ conditions for the mathematical models of Figs. Matlab simulation results.
도 14 에서, 프레임 지지스프링(12,14,16)의 각 빔폭과 두께를 모두 5um, 및 35um로 하고, 프레임(10)의 1자유도 가진시스템에 대하여 계산한 파라메타 Jd=741.95e-17[kgm²], kt₁=1.62e-5[Nm/rad], kt₂=2.63e-5[Nm/rad] 를 상기 프레임(10)의 공진주파수 계산식에 각각 대입하여 계산하고, 또한 도 15 에서, 센서 지지스프링(36,38)의 각 빔폭과 두께도 모두 5um, 및 35um로 하고, 센서질량체(30,32)의 2자유도 감지시스템에 대하여 계산한 파라메타 Js=50.52e-17[kgm²], ms=1.13e-8[kg], k₁=0.506e3[N/m], k₂=0.506e3[N/m], s₁=s₂= 207~215[um]를 상기 센서 공진주파수 계산식에 대입하여 계산하면, 도 20 과 같은 결과가 나온다. 만일, 센서 지지스프링(36,38) 위치가 s₁=s₂= 210 [um] 이면, 가진 공진주파수는 fd=15,007[Hz]이고, 감지 공진주파수는 각각 fs₁=14,845[Hz], fs₂=15,163[Hz]가 된다. 도 20 의 시뮬레이션 결과로부터, 도 15 의 2자유도 감지시스템에 대한 최적의 공진주파수 차이를 고려한 스프링위치 s₁과 s₂를 각각 구할 수 있다.In FIG. 14, parameters Jd = 741.95e-17 [calculated for a system having one degree of freedom of the frame 10, with each beam width and thickness of the frame support springs 12, 14, and 16 being both 5um and 35um. kgm²], kt₁ = 1.62e-5 [Nm / rad] and kt₂ = 2.63e-5 [Nm / rad] are calculated by substituting the resonance frequency calculation formula of the frame 10, respectively. The beam widths and thicknesses of the springs 36 and 38 are also 5 μm and 35 μm, and the parameters Js = 50.52e-17 [kgm²] and ms = calculated for the two degree of freedom detection system of the sensor masses 30 and 32. 1.13e-8 [kg], k₁ = 0.506e3 [N / m], k₂ = 0.506e3 [N / m], s₁ = s₂ = 207 ~ 215 [um] are calculated by substituting the sensor resonance frequency The result is as shown in FIG. If the position of the sensor support spring (36,38) is s₁ = s₂ = 210 [um], the excited resonant frequency is fd = 15,007 [Hz], and the sensed resonant frequencies are fs₁ = 14,845 [Hz] and fs₂ = 15,163 [ Hz]. From the simulation results of FIG. 20, the spring positions s s and s 2, which take into account the optimum resonant frequency difference for the two degree of freedom sensing system of FIG. 15, can be obtained, respectively.
도 21 는, 도 14 및 도 15 와 같은 수학적 모델에 대하여, 도 16, 및 도 17 과 같은 조건의 프레임(10)과 센서질량체(30,32) 평판을 구성한 후, 도 20 의 시뮬레이션 경우와 동일한 설계조건하에서 지지스프링(36,38) 위치가 s₁=s₂=210[um] 인 경우에 대하여; 각 빔 폭에 대한 식각공정 오차(백분율)가 97[%] 에서 103[%] 까지 달라질 때의 프레임의 가진 공진주파수(fd)와 센서의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂) 변화를 나타낸 매트랩 시뮬레이션 결과이다.Fig. 21 is the same as the simulation case of Fig. 20 after the frame 10 and the sensor mass bodies 30 and 32 under the same conditions as those of Figs. 16 and 17 are formed for the mathematical models as shown in Figs. 14 and 15. For the case where the support springs 36,38 are s 조건 = s₂ = 210 [um] under design conditions; Matlab simulation results showing the variation of the sensing resonance frequency (fd) of the frame and the sensing resonance frequency (fs 공진, fs₂) of the frame when the etching process error (percentage) for each beam width varies from 97 [%] to 103 [%]. to be.
즉, 도 21 을 보면, 본 발명과 같은 x-y축 자이로스코프를, 첫째 도 15 와 같이 하나의 센서질량체를 직선/회전 감지모드 결합을 이용한 2자유도 감지시스템으로 구성하고, 둘째 프레임과 지지스프링, 및 센서와 지지스프링 등 자이로 기본구성요소를 같은 폭과 같은 두께, 그리고 같은 길이비를 갖는 빔과 홀로 구성하며, 셋째로 프레임과 센서의 각 빔폭을 모두 같은 크기로 하며, 서로 평행하게 배열하고, 각 지지스프링 측면에 같은 폭을 갖는 더미빔스프링을 같은 간격으로 배치한다면, 멤즈 기반의 자이로스코프를 구성하는 모든 기본구성요소들에 대하여 가공오차가 발생하여도, 가진 공진주파수(fd)와 감지 공진주파수(fs₁,fs₂)는, 도 21 과 같이, fd가 fs₁,fs₂사이에 놓이는 유사한 형태를 유지하며 변동하게 되고, 그렇다면 센서의 감지진폭(As)에는 거의 변동이 없을 것이다.That is, as shown in Figure 21, the xy-axis gyroscope as in the present invention, as shown in Figure 15, one sensor mass as a two degree of freedom sensing system using a combination of linear / rotational sensing mode, the second frame and the support spring, And the gyro basic components such as the sensor and the support spring are composed of beams and holes having the same width, the same thickness, and the same length ratio, and the third beam width of the frame and the sensor are all the same size and arranged in parallel with each other. If the dummy beam springs with the same width are arranged at the same side of each support spring, the resonance frequency (fd) and the sense resonance are generated even if machining errors occur for all the basic components of the MEMs-based gyroscope. The frequency (fs₁, fs₂) will fluctuate and maintain a similar form where fd lies between fs₁, fs₂, as shown in Figure 21, and if so the sensor amplitude (As) There will be no change.
한편, 도 15 의 센서에 대한 수학적 모델에서, 지지스프링(36,38)의 강성 k₁,k₂또는 위치 s₁,s₂값이 미소하게 다르면, 센서는 근소한 비대칭(non-symmetry) 구조가 되어 x방향 코리올리힘 Fc 뿐만 아니라, Fc에 의한 회전모멘트도 함께 걸리므로, 센서질량체(30,32)에는 직선진동과 회전진동이 동시에 일어난다. 이때에도 각 센서질량체(30,32)의 차등감지전극(41a,42a,43a,44a,45a,46a,47a,48a)은 각 센서질량체(30,32)의 직선진동 변위 x(t)와 회전진동에 의한 직선변위 r₁φ(t)가 선형적으로 결합된 x₁(t)=x(t)+r₁φ(t), 또는 x₂(t)=x(t)+r₂φ(t) 신호를 출력한다.On the other hand, in the mathematical model of the sensor of FIG. 15, if the rigidity k₁, k₂ or position s₁, s₂ values of the support springs 36,38 are slightly different, the sensor becomes a slightly non-symmetric structure, leading to an x-direction Coriolis. Since not only the force Fc but also the rotation moment by Fc are applied together, linear and rotational vibrations occur simultaneously in the sensor masses 30 and 32. At this time, the differential sensing electrodes 41a, 42a, 43a, 44a, 45a, 46a, 47a, and 48a of the sensor masses 30 and 32 rotate with the linear vibration displacement x (t) of the sensor masses 30 and 32, respectively. The linear displacement r₁φ (t) due to the vibration is linearly coupled and outputs a signal x₁ (t) = x (t) + r₁φ (t), or x₂ (t) = x (t) + r₂φ (t).
기계적 구성Mechanical composition
도 8 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y평면상에서 수직가진 수평감지 되는 x-y축 자이로스코프의 개략적인 구조를 나타낸다.8 shows a schematic structure of a horizontally sensed x-y-axis gyroscope with a vertical on the x-y plane according to one embodiment of the invention.
도 9 는, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서, 수직가진 되는 프레임(10), 및 앵커(26) 측벽에 부착된 프레임 지지스프링(12) 과; 프레임(10)의 수직방향 복원력을 강화하는 x방향 양쪽 끝 가장자리에 위치한 좌우상하 대칭의 이중링크 형태의 지지스프링(14,16) 과; 앵커(26) 측벽에 부착되어 프레임 지지스프링(12)에 대한 x방향 굽힘변형(bending deformation)을 억제하는 좌우상하 대칭의 이중폴드 형태(symmetric double folded shape)의 더미스프링(18)을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 9 shows, in the x-y-axis gyroscope of FIG. 8, a frame 10 being vertical, and a frame support spring 12 attached to the anchor 26 sidewall; Support springs 14 and 16 of double-sided up-and-down symmetrical double-link shape located at both end edges of the x-direction to enhance the vertical restoring force of the frame 10; A schematic representation of the symmetric double folded shape dummy spring 18 attached to the sidewall of the anchor 26 to suppress the x-direction bending deformation of the frame support spring 12. Drawing.
도 10 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서, 수평감지 하는 센서질량체(30,32)와 지지스프링(36a,36b,38a,38b), 및 센서질량체의 직선진동 변위(displacement)와 회전진동 각도(angle)를 동시에 차등감지(differential sensing)하는 좌우상하 대칭의 이중감지전극(41a,42a,43a,44a; 45a,46a,47a,48a)을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a linear vibration displacement and rotation vibration angle of the sensor masses 30 and 32 and the support springs 36a, 36b, 38a and 38b, and the sensor masses that are horizontally sensed in the xy-axis gyroscope of FIG. FIG. 4 is a diagram schematically illustrating double sensing electrodes 41a, 42a, 43a, and 44a; 45a, 46a, 47a, and 48a for differential sensing of angles simultaneously.
도 9 의 실시예에서,In the embodiment of FIG. 9,
프레임(10)은 2개의 앵커(26) 측벽에 부착된 2개의 지지스프링(12)에 의해 y축을 중심으로 비틀림 회전하도록 허용된다. x-y평면에서 지지스프링(14)은 복원토크(restoring torque)를 일으켜 프레임(10)의 x방향 양쪽 끝 가장자리가 프레임(10)의 비틀림변형 후 정상위치(nominal position)로 복원되는 것을 돕는다. 지지스프링(16)은 프레임(10) 가장자리와 지지스프링(14)을 연결해주는 링크 또는 회전베어링 역할을 한다. 평판링크(15)는 지지스프링(14)과 지지스프링(16)을 기구적으로 연결해주는 하나의 링크이다. 그리고 좌우상하 대칭의 이중폴드 형태의 더미빔스프링(18)은 프레임(10) 양쪽 앵커(26)에 부착되어 지지스프링(12,14)에 의한 프레임(10)의 코리올리힘 방향(x) 굽힘변형과 수직축(z)에 대한 프레임(10)의 회전운동을 동시에 억제한다.The frame 10 is allowed to torsionally rotate about the y axis by two support springs 12 attached to the two anchor 26 sidewalls. In the x-y plane, the support spring 14 generates a restoring torque to help the both ends of the x direction of the frame 10 to be restored to their normal position after the torsional deformation of the frame 10. The support spring 16 serves as a link or rotation bearing connecting the frame 10 edge and the support spring 14. The planar link 15 is one link that mechanically connects the support spring 14 and the support spring 16. The dummy beam spring 18 having a double fold symmetrical double-folded shape is attached to both anchors 26 of the frame 10 so that the bending direction of the frame 10 by the support springs 12 and 14 may be changed. And the rotational movement of the frame 10 about the vertical axis (z) at the same time.
도 10 의 실시예에서,In the embodiment of FIG. 10,
센서질량체(30,32)는 코리올리힘(x) 방향으로 직선진동, 및 센서질량체(30,32) 중심에 대한 회전진동이 가능하도록 y축에 대하여 좌우상하로 각각 일정 거리 떨어진 위치에 각각 2쌍(two pair)의 지지스프링(36a,36b,38a,38b)에 의해 프레임(10)과 연결되어 있다. 센서질량체(30,32)의 코리올리힘 방향(x) 동작은 각 센서질량체(30,32)와 각 감지전극(41a,42a,43a,44a;45a,46a,47a,48a) 사이의 간격 또는 면적 변동에 따른 정전용량변화(capacitance change)로 감지할 수 있다. 각 감지전극(41a,42a,43a,44a;45a,46a,47a,48a)은 콤전극(comb electrode), 또는 평판전극(plate electrode) 어느 것도 다 사용 가능하다. 감지전극(41a,42a,43a,44a;45a,46a,47a,48a)은 각각 웨이퍼기판에 고정된 앵커(41,42,43,44; 45,46,47,48) 측면에 부착되어 있다.Two pairs of sensor masses 30 and 32 are located at a distance apart from the left and right and up and down with respect to the y-axis so as to enable linear vibration in the Coriolis force (x) direction and rotational vibration about the center of the sensor masses 30 and 32, respectively. It is connected to the frame 10 by two pairs of support springs 36a, 36b, 38a and 38b. The Coriolis force direction (x) operation of the sensor masses 30 and 32 is the distance or area between the sensor masses 30 and 32 and the sensing electrodes 41a, 42a, 43a, 44a; 45a, 46a, 47a, 48a. It can be detected as a capacitance change according to the change. Each of the sensing electrodes 41a, 42a, 43a, 44a; 45a, 46a, 47a, 48a may use either a comb electrode or a plate electrode. The sensing electrodes 41a, 42a, 43a, 44a; 45a, 46a, 47a, 48a are attached to the sides of the anchors 41, 42, 43, 44; 45, 46, 47, 48 fixed to the wafer substrate, respectively.
도 11 의 실시예에서,In the embodiment of FIG. 11,
도 8 의 x-y축 자이로스코프는, 자이로 웨이퍼(70)의 밀폐벽(hermetic seal wall)(72,74,76)으로 둘러싸인 바닥 웨이퍼(60)와 캡 웨이퍼(80) 사이의 내부 공간에 있다. 지지스프링(12)은 프레임(10)을 y축 중심으로 회전진동을 가능하게 하며, 지지스프링(14)은 프레임(10)의 끝 가장자리에 대한 수직방향 복원력을 강화하는 역할을 하고, 지지스프링(16)은 y축 중심의 비틀림변형과 x축 방향으로의 굽힘변형이 동시에 일어나며 하나의 회전베어링 역할을 한다. 그리고 지지스프링(14)과 평판링크(15)와 지지스프링(16)은 프레임 끝 가장자리와 앵커(25)를 기구적으로 연결해주는 이중링크장치의 기본 구성요소이다. 프레임(10)과 센서질량체(30,32) 아래 바닥웨이퍼(60) 위에 프레임(10)의 수직가진을 위한 바닥전극(21,23)이 각각 있으며, 프레임(10)의 수직방향 변위에 따른 정전용량 변화를 감지하기 위한 바닥전극(22,24)이 각각 있다.The x-y-axis gyroscope of FIG. 8 is in the interior space between the bottom wafer 60 and the cap wafer 80 surrounded by hermetic seal walls 72, 74, 76 of the gyro wafer 70. The support spring 12 allows rotational vibration of the frame 10 about the y-axis, and the support spring 14 serves to reinforce the vertical restoring force with respect to the end edge of the frame 10, and the support spring ( In (16), the torsional deformation in the center of the y-axis and the bending deformation in the x-axis direction occur at the same time and serve as a rotating bearing. And the support spring 14, the flat link 15 and the support spring 16 is a basic component of the double link device for mechanically connecting the frame edge and the anchor 25. There are bottom electrodes 21 and 23 for vertically moving the frame 10 on the bottom wafer 60 under the frame 10 and the sensor masses 30 and 32, respectively. There are bottom electrodes 22 and 24 for sensing a change in capacitance, respectively.
도 12 및 도 13 은, 도 11 의 형태들이 작동 시 움직이는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.12 and 13 are diagrams schematically showing a state in which the forms of FIG. 11 move in operation.
도 12 에서는, 바닥전극(21)에 의해 z축 +방향의 정전력(electrostatic force) +Fes(t)가 발생하고, 바닥전극(23)에 의해 z축 -방향의 정전력 -Fes(t)가 발생한다. 그러면 프레임(10)은 시계방향으로 회전모멘트를 받게 되며, 센서질량체(30)는 x축 -방향 코리올리힘 -Fc(t) 를 받아 -x축으로 동작하고, 센서질량체(32)은 x축 +방향 코리올리힘 +Fc(t) 를 받아 +x축으로 동작한다. 도 13 에서는, 바닥전극(21)에 의해 z축 -방향의 정전력 -Fes(t)가 발생하고, 바닥전극(23)에 의해 z축 +방향의 정전력 +Fes(t)가 발생한다. 이때 프레임(10)은 반시계방향의 회전모멘트를 받게 되며, 센서질량체(30)은 x축 +방향 코리올리힘 +Fc(t)를 받아 +x축으로 동작하고, 센서질량체(32)는 x축 -방향 코리올리힘 -Fc(t)를 받아 -x축으로 동작한다.In FIG. 12, the electrostatic force + Fes (t) in the z-axis + direction is generated by the bottom electrode 21, and the electrostatic force -Fes (t) in the z-axis-direction is generated by the bottom electrode 23. Occurs. Then, the frame 10 receives a rotational moment in a clockwise direction, the sensor mass 30 receives the x-axis-coriolis force -Fc (t) and operates in the -x axis, and the sensor mass 32 is the x-axis + It receives direction Coriolis force + Fc (t) and operates on the + x axis. In FIG. 13, the constant power −Fes (t) in the z-axis direction is generated by the bottom electrode 21, and the constant power + Fes (t) in the z-axis + direction is generated by the bottom electrode 23. At this time, the frame 10 receives a counterclockwise rotation moment, the sensor mass 30 receives the x-axis + direction Coriolis force + Fc (t) and operates in the + x axis, and the sensor mass 32 is the x-axis. Receives the -direction Coriolis force -Fc (t) and operates on the -x axis.
도 16 은, 도 8 의 x-y축 자이로스코프에서, 지지스프링(14,16)과 동일한 폭과 동일한 두께, 및 일정배수의 길이를 갖는 빔과 식각홀을 포함하고 있는 프레임(10), 그리고 센서 지지스프링(36a,36b,38a,38b)과 동일한 폭과 동일한 두께, 및 일정배수의 길이를 갖는 빔과 홀을 포함하고 있는 센서질량체(30,32)를 각각 개략적으로 나타낸 도면이다. 만일, 프레임(10)과 지지스프링(12,14,16)이 서로 동일한 폭과 동일한 두께와 일정배수의 길이를 갖는 빔(31)과 식각홀(33)로 구성되었고, 또한 센서질량체(30,32)도 지지스프링(36a,36b,38a,38b)과 서로 동일한 폭과 동일한 두께와 일정배수의 길이를 갖는 빔(31), 및 식각홀(33)로 구성되었다면, 하나의 x-y축 자이로스코프 칩에서는 이들에 대한 식각공정 환경이 같아지므로 공정오차도 거의 같은 비율로 일어난다고 볼 수 있다. 즉, 각 스프링과 질량에 대한 공정오차가 같은 비율로 발생하면, 프레임(10)의 가진 공진주파수(fd)와 센서질량체(30,32)의 감지 공진주파수(fs₁,fs₂)는 거의 변동이 없을 것이다.FIG. 16 shows a frame 10 including a beam and an etching hole having the same width and the same thickness as the support springs 14 and 16, and a multiple of the length in the xy-axis gyroscope of FIG. 8, and the sensor support. Figures schematically show the sensor masses 30 and 32 including beams and holes having the same width and the same thickness as the springs 36a, 36b, 38a, and 38b, and a multiple of the length. If the frame 10 and the support springs 12, 14, and 16 are composed of a beam 31 and an etching hole 33 having the same width, the same thickness, and the constant multiple lengths, the sensor mass 30, 32) a single xy-axis gyroscope chip if the support springs 36a, 36b, 38a, 38b are composed of a beam 31 having the same width, the same thickness, and the same length and the etching hole 33, respectively. Since the etching process environment for these is the same, it can be said that the process error occurs at about the same rate. That is, when the process errors for each spring and mass occur at the same ratio, the excitation resonant frequency fd of the frame 10 and the detection resonant frequencies fs₁, fs₂ of the sensor masses 30 and 32 are almost unchanged. will be.
도 17 에서는, 도 16 과 같은 설계조건에 추가하여, 우선 프레임 지지스프링(14,16)과 센서 지지스프링(36a,36b,38a,38b), 및 프레임 더미빔스프링(13,17)이 모두 같은 빔 폭과 같은 빔 두께를 가지며, 다음으로 상기 프레임과 센서를 구성하는 각 빔들이 모두 평행하게 배열되고, 마지막으로 지지스프링(14)의 좌우 양쪽에, 지지스프링(14)의 빔 폭과 같은 크기의 간격을 두고 지지스프링(14)의 빔 폭과 같은 크기의 폭을 갖는 더미빔스프링(13)이 이중링크(15)와 앵커(25) 사이에 각각 부착되어 있다. 그리고 지지스프링(16)의 측면에, 지지스프링(16)의 빔 폭과 같은 크기의 간격을 두고 지지스프링(16)의 빔 폭과 같은 크기의 폭을 갖는 더미빔스프링(17)이 부착되어 있다.In FIG. 17, in addition to the design conditions as shown in FIG. 16, first, the frame support springs 14, 16, the sensor support springs 36a, 36b, 38a, 38b, and the frame dummy beam springs 13, 17 are all the same. It has a beam thickness equal to the beam width, and then the respective beams constituting the frame and the sensor are all arranged in parallel, and finally, on the left and right sides of the support spring 14, the same size as the beam width of the support spring 14 Dummy beam springs 13 having a width equal to the beam width of the support spring 14 are spaced apart from each other and are attached between the double links 15 and the anchors 25, respectively. A dummy beam spring 17 is attached to the side of the support spring 16 with a width equal to the beam width of the support spring 16 at intervals equal to the beam width of the support spring 16. .
만일, 도 16 과 같은 설계조건에, 도 17 과 같은 조건들이 더 추가된다면, 결국 본 발명의 x-y축 자이로스코프 기본구성요소들이 모두 같은 폭과 두께, 및 길이 비를 갖는 빔으로 구성되며, 또한 이들에 대한 모든 식각공정 조건이 서로 같기 때문에 식각공정 오차도 거의 같은 비율로 일어나고, 도 21 과 같이 프레임에 대한 가진 공진주파수 fd와 센서에 대한 감지 공진주파수(fs₁, fs₂)는 공정오차에 따라 거의 같은 간격을 유지하며 같은 비율로 변하게 된다.If, in addition to the design conditions as shown in Fig. 16, further conditions as shown in Fig. 17 are added, the xy-axis gyroscope basic components of the present invention are all composed of beams having the same width, thickness, and length ratio, and these The etching process errors occur at almost the same rate because all the etching process conditions are the same, and as shown in FIG. 21, the resonance frequency fd for the frame and the sensing resonance frequencies fs₁ and fs₂ for the sensor are almost the same according to the process error. They stay the same and change at the same rate.
도 22 은, 도 8 의 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에 대하여, 바닥 웨이퍼 전면의 n 또는 p 전극(21,22,23,24), 및 바닥 웨이퍼 전면의 더미금속패드(21a,22a,23a,24a), 및 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b; 41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b), 및 밀폐벽(72)을 개략적으로 나타낸 평면 도면이다. 그리고 도 23 은, 도 22 의 x-y축 자이로스코프에서 BB'단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 22 illustrates the n or p electrodes 21, 22, 23, and 24 on the front surface of the bottom wafer, and the dummy metal pads 21a on the front surface of the bottom wafer, for the xy-axis gyroscope according to the exemplary embodiment of FIG. 8. And 22a, 23a, 24a, and silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b; 26b; 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b, 47b, 48b, and the sealing wall 72 of the bottom wafer. A schematic plan view. And FIG. 23 schematically shows the BB 'cross section in the x-y-axis gyroscope of FIG.
도 22, 및 도 23 에 있어서, 밀폐벽(72)은 x-y축 자이로스코프에 대한 진공밀폐를 위하여 내부와 외부를 차단한 하나의 벽이다. 바닥전극(21,23)은 웨이퍼기판에서 붕소(Boron), 또는 인(phosphorus)이 도우핑된(doped) 프레임(10) 수직가진 목적의 n 또는 p 도우핑전극이고, 바닥전극(22,24)은 프레임(10)의 수직방향 간격 변동을 측정하기 위한 n 또는 p 도우핑전극이다. 바닥 웨이퍼(60)의 실리콘관통전극(26b)은 프레임(10)과 센서질량체(30,32)에 전원을 공급하는 배선접속을 의미하고; 바닥 웨이퍼(60)의 실리콘관통전극(41b,42b,43b,44b;45b,46b,47b,48b)은 센서 감지전극(41a,42a,43a,44a;45a,46a,47a,48a)에서 감지된 신호를 외부로 출력하는 배선이며; 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극(21b,23b)은 바닥전극(21,23)에 전원을 공급하는 배선이며; 실리콘관통전극(22b,24b)은 바닥전극(22,24)의 신호를 감지하는 배선이다. 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)은 밀폐벽 밖으로 연결된 도우핑전극(21,22,23,24) 위에 도체금속으로 증착된 하나의 더미금속패드로서 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b)과 도핑전극(21,22,23,24) 간을 전기적으로 연결하는 역할을 한다.22 and 23, the sealing wall 72 is one wall which cuts the inside and the outside for vacuum sealing to the x-y axis gyroscope. The bottom electrodes 21 and 23 are n or p doped electrodes for the vertical purpose of the frame 10 doped with boron or phosphorus on the wafer substrate, and the bottom electrodes 22 and 24. Is an n or p doping electrode for measuring the vertical gap variation of the frame 10. The silicon through electrode 26b of the bottom wafer 60 means a wiring connection for supplying power to the frame 10 and the sensor masses 30 and 32; The silicon through electrodes 41b, 42b, 43b, 44b; 45b, 46b, 47b, 48b of the bottom wafer 60 are detected by the sensor sensing electrodes 41a, 42a, 43a, 44a; 45a, 46a, 47a, 48a. Wiring for outputting a signal to the outside; The silicon through electrodes 21b and 23b of the bottom wafer are wirings for supplying power to the bottom electrodes 21 and 23; The silicon through electrodes 22b and 24b are wirings for sensing signals from the bottom electrodes 22 and 24. The dummy metal pads 21a, 22a, 23a, and 24a are one dummy metal pads deposited with conductive metal on the doping electrodes 21, 22, 23, and 24 connected out of the sealed wall, and the silicon through electrodes 21b, 22b, and 23b. And 24b and electrically connect the doping electrodes 21, 22, 23, and 24 to each other.
도 22, 및 도 23 에 있어서, 캡웨이퍼(80)의 공기 관통홀(83)은, 진공챔버 내 캡 웨이퍼(80) 와 자이로 웨이퍼(70) 간의 웨이퍼밀폐접착 공정에서 금속(76) 결합 시 가스가 잘 빠져 나가는 벤팅홀(venting hole) 역할을 하므로 자이로스코프 칩이 전체 웨이퍼 면적에 걸쳐 균일한 진공도를 유지하게 한다. 또한 캡 웨이퍼(80)의 공기 관통홀(83)은, 밀폐벽(72) 밖 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)에 금속을 증착하기 위한 목적으로도 사용된다.22 and 23, the air through hole 83 of the cap wafer 80 is a gas at the time of bonding the metal 76 in the wafer hermetic bonding process between the cap wafer 80 and the gyro wafer 70 in the vacuum chamber. It acts as a venting hole through which the gyroscope chip maintains a uniform vacuum over the entire wafer area. The air through hole 83 of the cap wafer 80 is also used for the purpose of depositing metal on the dummy metal pads 21a, 22a, 23a, and 24a outside the sealed wall 72.
도 23 에 있어서, 바닥웨이퍼(60)에 직경 20~30um 크기의 실리콘관통전극을 뚫기 위해서는 식각공정의 고단면비한계 때문에 바닥웨이퍼(60)의 두께가 100um 정도로 얇아 질 수밖에 없다. 바닥웨이퍼(60)의 두께가 얇아지면 프레임 지지앵커(25,26) 만으로는 프레임(10)에 대한 수직가진 진동에너지를 충분히 흡수할 수 없으므로 캡웨이퍼(80)와 자이로웨이퍼(70) 사이에 기둥(78,79)을 제작하여 프레임(10)의 가진 진동에너지를 바닥웨이퍼(60)와 캡웨이퍼(80)로 각각 나누어 분산시킬 수 있다.In Fig. 23, in order to drill a silicon through electrode having a diameter of 20 to 30 μm in the bottom wafer 60, the thickness of the bottom wafer 60 is inevitably thinned to about 100 μm due to the high section ratio limit of the etching process. When the thickness of the bottom wafer 60 becomes thin, the frame support anchors 25 and 26 alone cannot absorb the vibration energy having the vertical direction with respect to the frame 10, and thus the pillar 78 between the cap wafer 80 and the gyro wafer 70 may be reduced. , 79) and the vibration energy of the frame 10 can be divided and divided into the bottom wafer 60 and the cap wafer 80, respectively.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 그 기술적 사상의 범위 내에서 각종 다른 형태로 실시될 수 있음은 물론이다.
While an embodiment of the present invention has been described so far, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and of course, the present invention may be embodied in various other forms within the scope of the technical idea.
제조(Produce( FabricationFabrication ))
바람직한 실시 예에서, 상기 구조 및 동작을 갖는 x-y축 자이로스코프는 반도체 미세제조공정(micro fabrication process) 기술을 이용하여 제작한다. 반도체 미세제조공정은 실리콘기판위에 증착과 식각을 반복하여 얇은 구조물을 만드는 표면미세가공(surface micromachining), 및 실리콘기판을 가공하여 두꺼운 구조물을 만드는 벌크미세가공(bulk micromachining)의 2가지가 사용된다.In a preferred embodiment, the x-y-axis gyroscope having the structure and operation is fabricated using semiconductor microfabrication process technology. Semiconductor microfabrication processes include two methods: surface micromachining, which produces a thin structure by repeating deposition and etching on a silicon substrate, and bulk micromachining, which forms a thick structure by processing a silicon substrate.
도 27, 도 28, 도 29, 도 30 은 본 발명의 실시예를 제조하기에 적절한 예시적인 제조 시퀀스를 개략적으로 나타내고 있다.27, 28, 29, and 30 schematically illustrate exemplary manufacturing sequences suitable for manufacturing embodiments of the present invention.
도 27 은 바닥 웨이퍼(60)와 자이로 웨이퍼(70)를 제조하기에 적절한 단계들의 시퀀스를 개략적으로 나타내고 있다.FIG. 27 schematically illustrates a sequence of steps suitable for manufacturing the bottom wafer 60 and the gyro wafer 70.
도 27 의 S10 단계에서는, 바닥 웨이퍼(60)로서 약 10~20[Ωcm] 정도의 고저항 실리콘웨이퍼(100)를 사용한다.In step S10 of FIG. 27, a high resistance silicon wafer 100 of about 10 to 20 [Ωcm] is used as the bottom wafer 60.
도 27 의 S10 단계에서 S12 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60) 전면에 약 800~1,000[℃] 온도에서 붕소(boron), 또는 인(phosphorus) 을 침투시켜, n 도우핑전극, 또는 p 도우핑전극(21,22,23,24)을 만든다. 고온공정으로 인한 n, 또는 p 전극의 열팽창 문제는 어닐링(annealing)으로 해결한다. 고저항 실리콘웨이퍼에 n, 또는 p 전극을 도우핑(doping)하였으므로 가진전압으로 인하여 발생하는 기생정전용량은 비교적 작다.From step S10 to step S12 of FIG. 27, boron or phosphorus is infiltrated into the front surface of the bottom wafer 60 at a temperature of about 800 to 1,000 [° C.], so that the n doping electrode or the p doping is carried out. Electrodes 21, 22, 23 and 24 are made. The thermal expansion problem of the n or p electrode due to the high temperature process is solved by annealing. Since the n or p electrode is doped to the high resistance silicon wafer, the parasitic capacitance generated by the excitation voltage is relatively small.
도 27 의 S12 단계에서 S13 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60) 전면, 및 도핑전극(21,22,23,24) 위에 약 800~1,000[℃] 온도에서 2~3[um] 두께의 SiO₂절연체(74)를 증착한다.From the step S12 to the step S13 of FIG. 27, a SiO 2 insulator having a thickness of 2 to 3 [um] at a temperature of about 800 to 1,000 [° C.] over the entire surface of the bottom wafer 60 and the doping electrodes 21, 22, 23, and 24. (74) is deposited.
도 27 의 S13 단계에서 S14 단계로 가면서, 약 0.01[Ωcm] 정도의 저저항 실리콘웨이퍼(100)를 자이로 웨이퍼(70)로 사용하고, 자이로 웨이퍼(70)를 약 600[℃] 온도에서 SiO₂절연체(74) 위에 웨이퍼 본딩(wafer bonding)하고, 그 후에 약 500[um] 두께의 자이로 웨이퍼(70)를 상온에서 35~40[um] 두께로 박형화 단계(thining step) 작업을 한다. 박형화는, 종래의 그라인딩 및 연마가 적합한 방법이다. 이때 자이로 웨이퍼(70)는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼와 같다.From step S13 to step S14 of FIG. 27, a low resistance silicon wafer 100 of about 0.01 [Ωcm] is used as the gyro wafer 70, and the gyro wafer 70 is SiO 2 insulator at a temperature of about 600 [° C.]. Wafer bonding is performed on the 74, and then a thinning step is performed on the gyro wafer 70 having a thickness of about 500 [um] to a thickness of 35 to 40 [um] at room temperature. Thinning is a method by which conventional grinding and polishing are suitable. In this case, the gyro wafer 70 is the same as a silicon on insulator (SOI) wafer.
도 27 의 S14 단계에서 S15 단계로 가면서, 자이로 웨이퍼(70) 전면에 웨이퍼 간 밀폐벽접합(hermetic sealing wall)을 위한 약 1~5[um] 두께의 금속벽(76)을 패터닝(patterning)한다.From step S14 to step S15 of FIG. 27, the metal wall 76 having a thickness of about 1 to 5 [um] for the hermetic sealing wall between the gyro wafers 70 is patterned. .
도 27 의 S15 단계에서 S16 단계로 가면서, 자이로웨이퍼(70)에 대한 PR 리소그라피 패터닝 후, 깊은 반응성이온식각, 즉 딥(Deep) RIE(Reactive Ion Etching) 방법으로 식각한다.In step S15 to step S16 of FIG. 27, after PR lithography patterning on the gyro wafer 70, the etching is performed by deep reactive ion etching, that is, a deep reactive ion etching (RIE) method.
도 27 의 S16 단계에서 S18 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60)와 자이로 웨이퍼(70) 사이의 SiO₂절연체(74)를 일부 희생층으로 제거한다.From step S16 to step S18 of FIG. 27, the SiO 2 insulator 74 between the bottom wafer 60 and the gyro wafer 70 is removed with some sacrificial layer.
도 28 은 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서 캡(cap) 웨이퍼(80) 에 대한 미세제조공정들을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 28 schematically illustrates microfabrication processes for a cap wafer 80 in an x-y-axis gyroscope according to an embodiment of the present invention.
도 28 의 S20 단계에서는, 캡 웨이퍼(80)로서 약 10~20[Ωcm] 정도의 고저항 실리콘웨이퍼(100)를 사용한다.In step S20 of FIG. 28, a high resistance silicon wafer 100 of about 10 to 20 [Ωcm] is used as the cap wafer 80.
도 28 의 S20 단계에서 S22 단계로 가면서, 캡 웨이퍼(80) 배면(back side)에서 웨이퍼 간 밀폐벽접합을 위한 4~5[um] 두께의 금속벽(77)을 패터닝 한다.Going from step S20 to step S22 of FIG. 28, the metal wall 77 having a thickness of 4 to 5 [um] for the sealing wall bonding between the wafers is patterned on the back side of the cap wafer 80.
도 28 의 S22 단계에서 S24 단계로 가면서, 캡 웨이퍼(80) 배면에서 멤즈 구조물 보호를 위한 공동(cavity) (81)을 딥 RIE 방법으로 식각한다.While going from step S22 to step S24 of FIG. 28, the cavity 81 for protecting the MEMs structure is etched from the back of the cap wafer 80 by a deep RIE method.
도 28 의 S24 단계에서 S26 단계로 가면서, 캡 웨이퍼(80) 전면(front side)에서 약 150× 150[um²] 크기의 공기 관통홀(hole) (83)을 딥 RIE 방법으로 식각한다.Going from step S24 to step S26 of FIG. 28, an air through hole 83 having a size of about 150 × 150 [um 2] is etched from the front side of the cap wafer 80 by a deep RIE method.
도 28 의 S26 단계에서 S28 단계로 가면서, 캡 웨이퍼(80)의 공동(cavity) 천정에 약 400[℃] 온도에서 약 400[nm] 두께로 산소(O)와 질소(N)가 잘 붙는 물질 게터(getter) (82)를 증착한다. 게터(82)는 온도가 상승하면 진공도가 떨어지는 효과가 있다.From step S26 to step S28 of FIG. 28, oxygen (O) and nitrogen (N) adhere well to the cavity ceiling of the cap wafer 80 at a thickness of about 400 [nm] at a temperature of about 400 [° C.]. Getter 82 is deposited. The getter 82 has an effect of decreasing the degree of vacuum when the temperature rises.
도 29 는, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, SOI 형태의 자이로 웨이퍼(70)와 캡 웨이퍼(80)에 대한 웨이퍼레벨진공패키지(wafer level vacuum package) 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.29 is a schematic cross-sectional view of a wafer level vacuum package for an gyro wafer 70 and a cap wafer 80 in the form of an SOI in an xy axis gyroscope according to an embodiment of the present invention. to be.
도 29 의 S30 단계에서는 진공챔버 내 진공도를 1~3[mTorr]가 되도록 유지한다. 캡 웨이퍼(80)를 자이로 웨이퍼(70)에 결합하기 위해 비교적 고온 결합과정들이 필요한데, 이에는 공융금속결합(eutectic metal bonding), 글라스본딩(glass bonding), 땜납결합(solder bonding), 골드공융결합(gold eutectic bonding), Si에서 SiO₂로의 용융결합(Si to SiO2 fusion bonding) 및 Si에서 Si로의 용융결합(Si to Si fusion bonding) 들이 포함되는데 본 발명의 실시예에는 어떤 공정도 사용 가능하다.In step S30 of FIG. 29, the vacuum degree in the vacuum chamber is maintained to be 1 to 3 [mTorr]. A relatively high temperature bonding process is required to bond the cap wafer 80 to the gyro wafer 70, which includes eutectic metal bonding, glass bonding, solder bonding, and gold eutectic bonding. (gold eutectic bonding), Si to SiO 2 fusion bonding (Si to SiO 2 fusion bonding), and Si to Si fusion bonding (Si to Si fusion bonding) are included. Any process may be used in the embodiment of the present invention.
도 29 의 S30 단계에서 S32 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60)를 약 500[um]에서 100[um] 두께로 박형화 작업을 한다.Going from step S30 to step S32 of FIG. 29, the bottom wafer 60 is thinned from about 500 [um] to 100 [um] thick.
도 30 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 x-y축 자이로스코프에서, 실리콘관통전극 배선에 대한 미세제조공정들을 개략적으로 나타낸 도면이다. 30 is a schematic diagram illustrating microfabrication processes for silicon through electrode wiring in an x-y-axis gyroscope according to an embodiment of the present invention.
도 30 의 S40 단계에서는, 바닥 웨이퍼(60) 전면의 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)를 밀폐벽(72) 밖에 증착한다. 도 30 의 S40 단계에서 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)는 식각방지막(etch stop) 역할을 한다.In step S40 of FIG. 30, dummy metal pads 21 a, 22 a, 23 a, and 24 a on the front surface of the bottom wafer 60 are deposited outside the sealing wall 72. In step S40 of FIG. 30, the dummy metal pads 21a, 22a, 23a, and 24a serve as an etch stop.
도 30의 S40 단계에서 S42 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60) 배면에서 직경 Ø 20~30[um] 정도의 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b)을 딥 RIE 방법으로 식각한다. 이때 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b)에 대한 딥 RIE 공정은, 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)와 바닥웨이퍼(60), 및 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)와 절연체(74), 및 더미금속패드(21a,22a,23a,24a)와 자이로웨이퍼(70) 사이의 식각속도선택비(etch rate selectivity)를 이용하여 이루어진다.Going from step S40 to step S42 of FIG. 30, the silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b; 26b; 41b, 42b, 43b, 44b, having a diameter Ø 20 to 30 [um] on the bottom wafer 60 back surface; 45b, 46b, 47b, 48b) are etched by the deep RIE method. At this time, the deep RIE process for the silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b; 26b; 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b, 47b, 48b is performed by dummy metal pads 21a, 22a, 23a, and 24a. And etching speed between the bottom wafer 60 and the dummy metal pads 21a, 22a, 23a and 24a and the insulator 74, and the dummy metal pads 21a, 22a, 23a and 24a and the gyro wafer 70. This is done using etch rate selectivity.
도 30 의 S42 단계에서 S44 단계로 가면서, 먼저 바닥웨이퍼(60) 배면(back side) 전체와 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b) 홀 벽(side wall)에 절연체(SiO2)를 증착하여 쌓아 올리고, 그 다음으로 바닥웨이퍼(60) 배면 전체와 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b) 홀 속의 바닥에 대하여 증착된 절연체(SiO2)를 전면식각(oxide etch back)하면, 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b) 홀 벽(side wall)에만 절연체(SiO2)가 남는다. 이어서 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b) 홀에 시드금속(seed metal)을 증착하고, 바닥 웨이퍼(60) 배면에서 도금 일괄공정(electroplating batch process)으로 실리콘관통전극(21b,22b,23b,24b;26b;41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b)에 금속을 채워 넣으면(metal filling) 멤즈 자이로 내부와 외부의 배선 접속이 완성된다.Going from step S42 to step S44 in FIG. 30, first, the entire back side of the bottom wafer 60 and the silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b; 26b; 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b, 47b, 48b) by depositing and stacking an insulator (SiO 2) on the side wall, and then the entire bottom surface of the bottom wafer 60 and the silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b; 26b; 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b, 47b, 48b When the oxide etched back the insulator (SiO 2) deposited on the bottom in the hole, the silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b; 26b; 41b, 42b 43b, 44b, 45b, 46b, 47b, 48b The insulator SiO 2 remains only in the side walls. Subsequently, a seed metal is deposited in holes of the silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b; 26b; 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b, 47b, and 48b. MEMS gyro by metal filling the silicon through electrodes 21b, 22b, 23b, 24b; 26b; 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b, 47b, 48b in an electroplating batch process. Internal and external wiring connections are completed.
도 30의 S44 단계에서 S46 단계로 가면서, 바닥 웨이퍼(60) 배면의 실리콘관통전극 출구(21c,22c,23c,24c;26c;41c,42c,43c,44c,45c,46c,47c,48c)에 볼 패터닝(ball patterning) 후 범핑(bumping) 한다.Going from step S44 to step S46 in Fig. 30, the silicon through electrode outlets 21c, 22c, 23c, 24c; 26c; 41c, 42c, 43c, 44c, 45c, 46c, 47c, 48c on the bottom of the bottom wafer 60; Bumping after ball patterning.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 아래의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 이용하여 당업자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements may be made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims. It belongs to the scope of the present invention.
10 : 프레임
12,14,16 : 프레임 지지스프링
18 : 프레임 더미스프링
25,26 : 프레임 앵커
26a : 프레임및 센서질량체 가진을 위한, 바닥 웨이퍼 전면의 앵커
26b : 프레임및 센서질량체 가진을 위한, 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극
26c : 프레임및 센서질량체 가진을 위한, 바닥 웨이퍼의 배면 범핑 볼
21,22,23,24 : 바닥 웨이퍼 전면의 n-전극, 또는 n+전극
21a,22a,23a,24a : n-전극, 또는 n+전극을 위한, 바닥 웨이퍼 전면의 더미금속패드
21b,22b,23b,24b : n-전극, 또는 n+전극을 위한, 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극
21c,22c,23c,24c : n-전극, 또는 n+전극을 위한, 바닥 웨이퍼의 배면 범핑 볼
30,32 : 센서질량체
36a,36b,38a,38b : 센서질량체 지지스프링
41,42,43,44,45,46,47,48 : 센서질량체 전극을 위한 앵커
41a,42a,43a,44a,45a,46a,47a,48a : 센서질량체 감지를 위한 평판전극 또는 콤전극
41b,42b,43b,44b,45b,46b,47b,48b : 센서질량체 감지를 위한, 바닥 웨이퍼의 실리콘관통전극
41c,42c,43c,44c,45c,46c,47c,48c : 센서질량체 감지를 위한, 바닥 웨이퍼 배면 범핑 볼
60 : 바닥 웨이퍼
70 : 자이로 웨이퍼
80 : 캡 웨이퍼
10: frame
12,14,16: frame support spring
18: frame dummy spring
25,26: frame anchor
26a: Anchor in front of bottom wafer for frame and sensor mass excitation
26b silicon through electrode on bottom wafer for frame and sensor mass excitation
26c back bumping ball of bottom wafer for frame and sensor mass excitation
21,22,23,24: n-electrode, or n + electrode on the bottom wafer front
21a, 22a, 23a, 24a: dummy metal pads on the front of the bottom wafer for n- or n + electrodes
21b, 22b, 23b, 24b: silicon through electrode of bottom wafer, for n-electrode or n + electrode
21c, 22c, 23c, 24c: back bumping ball of bottom wafer for n-electrode or n + electrode
30,32: sensor mass
36a, 36b, 38a, 38b: Sensor mass support spring
41,42,43,44,45,46,47,48: Anchor for sensor mass electrode
41a, 42a, 43a, 44a, 45a, 46a, 47a, 48a: flat electrode or comb electrode for sensor mass detection
41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b, 47b, 48b: silicon through electrode of the bottom wafer for sensor mass detection
41c, 42c, 43c, 44c, 45c, 46c, 47c, 48c: Bottom Wafer Back Bumping Ball for Sensor Mass Detection
60: bottom wafer
70: Gyro Wafer
80: cap wafer

Claims (19)

  1. 바닥 웨이퍼기판에 평행하게 배치되는 프레임;
    가진모드에서, 상기 프레임과 함께 1자유도로 가진되고, 감지모드에서, 상기 프레임에 외부의 각속도가 입력될 때 코리올리힘에 의해 2자유도로 감지되는 센서질량체;
    상기 센서질량체에 의한 2자유도의 각 감지변위를 측정하는 적어도 2개의 감지전극; 및
    상기 센서질량체와 상기 프레임을 연결하고 상기 센서질량체가 2자유도의 각 감지변위를 갖도록 허용하는 적어도 2개의 센서질량체 지지스프링
    을 포함하여 이루어지는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    A frame disposed parallel to the bottom wafer substrate;
    In the excitation mode, the sensor mass is excited with one degree of freedom, and in the sensing mode, the sensor mass is sensed at two degrees of freedom by a Coriolis force when an external angular velocity is input to the frame;
    At least two sensing electrodes for measuring each sensing displacement of two degrees of freedom by the sensor mass; And
    At least two sensor mass support springs connecting the sensor mass and the frame and allowing the sensor mass to have respective sensing displacements of two degrees of freedom
    Memes-based gyroscope made, including.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감지전극은, 상기 센서질량체에 대한 코리올리힘 방향의 직선진동 변위(displacement) 및 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동 각도(angle)를 측정하기 위해 상기 센서질량체의 중심에서 일정 거리가 떨어진 위치에 서로 분리 배치되는 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method of claim 1,
    The sensing electrode has a constant distance from the center of the sensor mass to measure the linear vibration displacement in the Coriolis force direction with respect to the sensor mass and the rotational vibration angle of another axis center perpendicular to the Coriolis force direction. Arranged separately from one another
    Memes-based gyroscope characterized by.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지스프링은, 상기 센서질량체에 대하여 코리올리힘 방향의 직선진동과 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동이 동시에 가능하도록 상기 센서질량체 중심에서 일정 거리가 떨어진 위치에 서로 분리 배치되는 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method of claim 1,
    The support springs are separated from each other at a position away from the center of the sensor mass so that linear vibration in the Coriolis force direction and rotational vibration of another axis center perpendicular to the Coriolis force direction are simultaneously possible with respect to the sensor mass.
    Memes-based gyroscope characterized by.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센서질량체 지지스프링은, 코리올리힘 방향의 직선진동과 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동이 동시에 가능하도록 각각 굽힘변형 또는 비틀림변형이 가능한 빔(beam) 형태의 스프링인 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method of claim 3,
    The sensor mass supporting spring is a beam-shaped spring capable of bending deformation or torsional deformation, respectively, to enable linear vibration in the Coriolis force direction and rotational vibration about another axis perpendicular to the Coriolis force direction.
    Memes-based gyroscope characterized by.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은, x-y평면과 평행하며, 상기 바닥 웨이퍼기판에 배열된 적어도 하나 이상의 바닥전극과, 상기 바닥전극을 통해 가해지는 적어도 하나 이상의 정전력에 의하여 상기 바닥 웨이퍼기판에 대하여 수직진동(vertical oscillation) 하는 1자유도 가진모드를 가지거나 또는 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 하나의 축 중심으로 회전진동(rotational oscillation) 하는 1자유도 가진모드를 가지며,
    상기 센서질량체는, 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 하나의 축 중심으로 입력되는 외부의 각속도에 의해 야기되는 코리올리힘 방향의 직선진동(linear oscillation)과 상기 코리올리힘 방향에 대한 수직 축 중심의 회전진동(rotational oscillation)을 동시에 하는 2자유도 감지모드를 가지는 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    5. The method according to any one of claims 1 to 4,
    The frame is parallel to the xy plane and is vertically oscillated with respect to the bottom wafer substrate by at least one bottom electrode arranged on the bottom wafer substrate and at least one electrostatic force applied through the bottom electrode. Has a degree of freedom of one degree of freedom or has a degree of freedom of rotational oscillation (rotational oscillation) around one axis parallel to the bottom wafer substrate,
    The sensor mass is a linear oscillation in the Coriolis force direction caused by an external angular velocity input to one axis center parallel to the bottom wafer substrate and a rotational vibration in the vertical axis center with respect to the Coriolis force direction. with two degrees of freedom sensing modes simultaneously performing rotational oscillation
    Memes-based gyroscope characterized by.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은, x-y평면과 평행하며, 상기 프레임 측면(lateral) 방향으로 배열된 적어도 하나 이상의 가진전극과, 상기 가진전극을 통해 가해지는 적어도 하나 이상의 정전력에 의하여 상기 x-y평면에 평행한 방향으로 수평진동(lateral oscillation) 하는 1자유도 가진모드를 가지거나 또는 상기 x-y평면에 수직인 z축 중심으로 회전진동(rotational oscillation) 하는 1자유도 가진모드를 가지며,
    상기 센서질량체는, 상기 바닥 웨이퍼기판과 평행한 하나의 축 중심으로 입력되는 외부의 각속도에 의해 바닥 웨이퍼기판과 수직방향으로 작동하는 코리올리힘 방향의 직선진동과 상기 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동을 동시에 하는 2자유도 감지모드를 가지는 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    5. The method according to any one of claims 1 to 4,
    The frame is parallel to the xy plane and is horizontal in a direction parallel to the xy plane by at least one excitation electrode arranged in the frame lateral direction and at least one electrostatic force applied through the excitation electrode. Has a one degree of freedom mode that oscillates (lateral oscillation) or one degree of freedom mode that rotates (rotational oscillation) about the z-axis perpendicular to the xy plane,
    The sensor mass has a linear oscillation in the Coriolis direction that operates in a vertical direction with the bottom wafer substrate by an external angular velocity input to one axis center parallel to the bottom wafer substrate and another axis center perpendicular to the Coriolis direction. With two degree of freedom sensing modes for simultaneously rotating vibrations
    Memes-based gyroscope characterized by.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은, x-y평면과 평행하며, 상기 바닥 웨이퍼기판에 평행한 방향으로 수평진동 하는 1자유도 가진모드를 가지거나 또는 상기 x-y평면에 수직인 z축 중심으로 회전진동 하는 1자유도 가진모드를 가지며,
    상기 센서질량체는, 상기 바닥 웨이퍼기판에 대하여 수직인 z축 중심으로 입력되는 외부의 각속도에 의해 바닥 웨이퍼기판에 수평방향으로 작동하는 코리올리힘 방향의 직선진동과 상기 코리올리힘 방향에 수직인 다른 축 중심의 회전진동을 동시에 하는 2자유도 감지모드를 가지는 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    5. The method according to any one of claims 1 to 4,
    The frame has a mode of one degree of freedom parallel to the xy plane and horizontally oscillates in a direction parallel to the bottom wafer substrate, or a mode of one degree of freedom that rotates about a z axis perpendicular to the xy plane. Has,
    The sensor mass is a linear vibration in a Coriolis direction that operates horizontally on the bottom wafer substrate by an external angular velocity input to a z axis center perpendicular to the bottom wafer substrate and another axis center perpendicular to the Coriolis direction. With two degree of freedom sensing modes for simultaneously rotating vibrations
    Memes-based gyroscope characterized by.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은, 상기 바닥 웨이퍼기판의 고정 앵커 측벽에 부착되는 적어도 하나의 프레임 지지스프링에 의해 상기 바닥 웨이퍼기판과 연결되고,
    상기 센서질량체 지지스프링은, 상기 프레임 지지스프링과 동일한 크기의 빔폭(beam width), 및 동일한 크기의 빔두께(beam thickness)를 가지면서 서로 평행하게 배열되며,
    상기 프레임은, 상기 프레임 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭과 일정 배수의 길이를 갖는 빔(beam), 및 상기 프레임 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭과 일정 배수의 길이를 갖는 홀(hole)로 구성되고,
    상기 센서질량체는, 상기 센서질량체 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭과 일정 배수의 길이를 갖는 빔, 및 상기 센서질량체 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭과 일정 배수의 길이를 갖는 홀로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method of claim 1,
    The frame is connected to the bottom wafer substrate by at least one frame support spring attached to the fixed anchor sidewall of the bottom wafer substrate,
    The sensor mass support springs are arranged in parallel with each other while having a beam width of the same size as the frame support spring and a beam thickness of the same size,
    The frame includes a beam having a width equal to a beam of the frame support spring and a predetermined multiple of length, and a hole having a width and a constant multiple of the same size as a beam of the frame support spring. Consisting of,
    The sensor mass is composed of a beam having a width and a constant multiple of the same size as the beam of the sensor mass support spring, and a hole having a width and a constant multiple of the same size as the beam of the sensor mass support spring.
    Memes-based gyroscope characterized by.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은, 상기 바닥 웨이퍼기판의 고정 앵커 측벽에 부착되는 적어도 하나의 프레임 지지스프링에 의해 상기 바닥 웨이퍼기판과 연결되고,
    상기 프레임 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭 및 동일한 크기의 두께를 가지며, 상기 프레임 지지스프링의 양쪽 측면으로 상기 프레임 지지스프링의 빔과 동일한 크기의 폭 만큼 간격을 띄고 상기 프레임 또는 상기 앵커 측면에 각각 부착된 더미빔스프링(dummy beam spring)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method of claim 1,
    The frame is connected to the bottom wafer substrate by at least one frame support spring attached to the fixed anchor sidewall of the bottom wafer substrate,
    It has the same width and the same thickness as the beam of the frame support spring, spaced at both sides of the frame support spring by the same width as the beam of the frame support spring, respectively on the side of the frame or the anchor Attached Dummy Beam Spring
    MEMS-based gyroscope further comprising a.
  10. 제1항에 있어서,
    동일한 면적을 갖는 2개의 바닥전극이 상기 웨이퍼기판에 일정 간격으로 분리 배치되고,
    상기 웨이퍼기판과 평행한 하나의 프레임이, 상기 분리된 2개의 바닥전극을 통해 각각 가해지는 역위상(anti-phase) 수직방향 정전력(electrostatic force)에 의하여 야기되는 회전진동으로 튜닝포크(tuning fork) 형태의 역위상 수직방향 속도성분(vertical velocity component)을 가지며,
    동일한 크기를 갖는 2개의 센서질량체가, 상기 프레임의 회전진동에 의하여 필연적으로 서로 반대방향으로 작동하도록 상기 프레임과 x-y평면상에 비연성결합 구조(decoupled structure) 형태로 서로 연결되고,
    상기 센서질량체에 대한 각 지지스프링은, 상기 프레임에 x-y평면상의 하나의 축을 중심으로 각속도가 입력될 때 상기 프레임에 연결된 상기 2개의 센서질량체가 상기 각속도 입력 축에 수직인 다른 축 방향으로 역위상 코리올리힘을 받아 서로 반대방향으로 동작하도록 상기 센서질량체를 상기 프레임에 각각 지지해 주는 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method of claim 1,
    Two bottom electrodes having the same area are separately disposed on the wafer substrate at regular intervals,
    One frame parallel to the wafer substrate is tuned fork with rotational vibration caused by anti-phase vertical electrostatic forces applied through the two separate bottom electrodes, respectively. ) Has an antiphase vertical velocity component of
    Two sensor masses having the same size are connected to each other in the form of a decoupled structure on the frame and the xy plane so as to necessarily operate in opposite directions by the rotational vibration of the frame,
    Each support spring for the sensor mass has an antiphase Coriolis in the direction of another axis perpendicular to the angular velocity input axis of the two sensor masses connected to the frame when the angular velocity is input about an axis on an xy plane to the frame. Supporting the sensor masses on the frame so as to be operated in opposite directions by force
    Memes-based gyroscope characterized by.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프레임 양쪽 끝 가장자리를 각각 지지하며, 또한 상기 프레임 양쪽 끝 가장자리에 대한 수직방향으로의 복원력(restoring force)을 강화하는, 좌우대칭 이중링크(symmetric double link) 형태의 비틀림스프링(torsional spring)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method of claim 10,
    A torsional spring in the form of a symmetric double link, which supports both end edges of the frame, respectively, and reinforces a restoring force in the vertical direction with respect to both end edges of the frame.
    MEMS-based gyroscope further comprising a.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 프레임 지지스프링에 대한 코리올리힘 방향으로의 굽힘변형(bending deformation) 억제를 목적으로, 상기 프레임의 지지스프링에 대한 코리올리힘 방향 굽힘강성(bending stiffness)은 크게 하고, 상기 프레임의 다른 축에 대한 비틀림강성 (torsional stiffness)은 작게 한, 좌우대칭이며 이중폴드(symmetric double folded) 형태의 더미빔스프링(dummy beam spring)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method of claim 10,
    For the purpose of suppressing bending deformation in the Coriolis force direction relative to the frame support spring, the Coriolis direction bending stiffness relative to the support spring of the frame is increased, and the torsion about the other axis of the frame is increased. Torsional stiffness is small, bilaterally symmetric double folded dummy beam spring
    MEMS-based gyroscope further comprising a.
  13. 제1항, 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    동일한 면적을 갖는 2개의 바닥전극이 상기 웨이퍼기판에 일정 간격으로 분리 배치되고,
    상기 웨이퍼기판과 평행하며 서로 분리된 2개의 프레임이, 상기 분리된 2개의 바닥전극을 통해 각각 가해지는 역위상(anti-phase) 정전력(electrostatic force)에 의하여 웨이퍼기판과 평행한 자세로 튜닝포크(tuning fork) 형태의 수직진동을 하며,
    동일한 크기를 갖는 2개의 센서질량체가, 서로 반대방향으로 작동하는 상기 2개의 프레임과 x-y평면상에 비연성결합 구조(decoupled structure) 형태로 서로 연결되고;
    상기 2개의 센서질량체에 대한 각 지지스프링은, 상기 프레임에 x-y평면상의 하나의 축을 중심으로 각속도가 입력될 때 상기 센서질량체가 상기 각속도 입력 축에 수직인 다른 축 방향으로 역위상 코리올리힘을 받아 서로 반대방향으로 동작하도록 상기 센서질량체를 상기 프레임에 각각 연결해 주며,
    상기 감지전극은, 상기 센서질량체의 직선진동, 및 회전진동에 대한 각 동작변위를 감지하기 위하여 상기 센서질량체 중심의 좌우 또는 상하 양쪽방향으로 각각 분리 배치된 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method according to any one of claims 1 and 8 to 12,
    Two bottom electrodes having the same area are separately disposed on the wafer substrate at regular intervals,
    Two fork frames parallel to the wafer substrate and separated from each other are tuned in a posture parallel to the wafer substrate by anti-phase electrostatic forces applied through the two separate bottom electrodes. (tuning fork) vertical vibration,
    Two sensor masses having the same size are connected to each other in the form of a decoupled structure on the xy plane and the two frames operating in opposite directions;
    Each of the support springs for the two sensor masses is subjected to an antiphase Coriolis force in another axial direction perpendicular to the angular velocity input axis when the angular velocity is input to the frame about one axis on the xy plane. Connecting the sensor masses to the frame to operate in the opposite direction,
    The sensing electrodes are arranged separately in the left and right or up and down directions of the center of the sensor mass in order to detect each movement displacement with respect to linear vibration and rotational vibration of the sensor mass.
    Memes-based gyroscope characterized by.
  14. 제1항, 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 각 프레임 내부에 상기 센서질량체가,
    상기 각 프레임에서 x-y평면상의 하나의 축 방향으로 튜닝포크 형태의 역위상 코리올리힘이 작용하면, 상기 2개의 센서질량체로 구성된 제1센서질량체 쌍이 상기 축에 서로 반대방향으로 각각 동작하도록 상기 프레임과 비연성결합 스프링 구조로 연결된 1축 자이로스코프와;
    상기 x-y평면상의 상기 1축 자이로스코프의 각 프레임에서 코리올리힘이 작용하는 축에 수직인 다른 축 방향으로 튜닝포크 형태의 역위상 코리올리힘이 작용하면, 또 다른 2개의 센서질량체로 구성된 제2센서질량체 쌍이 상기 역위상 코리올리힘이 작용하는 축에 서로 반대방향으로 각각 동작하도록 상기 프레임과 비연성결합 스프링 구조로 연결된 또 다른 1축 자이로스코프
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method according to any one of claims 1 and 8 to 12,
    The sensor mass inside each of the one or more frames,
    When the anti-phase Coriolis force in the form of a tuning fork acts in one axial direction on the xy plane in each of the frames, the first sensor mass pair consisting of the two sensor masses is inflexible with the frame so as to operate in opposite directions with respect to the axis, respectively. A single axis gyroscope connected by a coupling spring structure;
    A second sensor mass composed of two other sensor masses when the anti-phase coriolis force in the form of a tuning fork is applied in another axial direction perpendicular to the axis on which the Coriolis force is applied in each frame of the single axis gyroscope on the xy plane. Another one-axis gyroscope coupled with the frame and a non-coupled spring structure such that the pairs operate in opposite directions to the axis on which the antiphase Coriolis force acts, respectively.
    MEMS-based gyroscope further comprises a.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 바닥전극은, 상기 실리콘웨이퍼기판 위 일정 영역에 붕소(boron), 또는 인(phosphorus)이 도우핑(doping) 된 적어도 하나 이상의 n 전극 또는 p 전극으로 구성하며;
    상기 멤즈 구조물은, 상기 실리콘웨이퍼기판 위에 절연체(insulator) 증착 후 하나의 다른 실리콘웨이퍼를 접합(bonding)한 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 벌크미세가공(bulk micromachining)하여 제작하며;
    또 다른 하나의 실리콘웨이퍼에, 상기 멤즈 구조물의 보호를 위한 적어도 하나 이상의 공동(cavity)을, 벌크미세가공하여 캡 웨이퍼(cap wafer)로 구성하며;
    상기 도우핑전극이 포함된 상기 바닥 웨이퍼기판과, 상기 멤즈 구조물이 포함된 상기 멤즈 SOI웨이퍼와, 상기 공동이 포함된 상기 캡 웨이퍼를, 진공챔버에서 3중(triple layer)으로 웨이퍼간밀폐접합(wafer level hermetic sealing) 되도록 하는 것
    을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method of claim 1,
    The bottom electrode may include at least one n electrode or p electrode doped with boron or phosphorus in a predetermined region on the silicon wafer substrate;
    The MEMS structure is fabricated by bulk micromachining a silicon on insulator (SOI) wafer bonded to one another silicon wafer after an insulator is deposited on the silicon wafer substrate;
    In another silicon wafer, at least one cavity for the protection of the MEMS structure, the bulk microfabricated as a cap wafer;
    The bottom wafer substrate including the doping electrode, the MEMS SOI wafer including the MEMs structure, and the cap wafer including the cavity are triple-thick in a vacuum chamber. wafer level hermetic sealing
    Memes-based gyroscope characterized by.
  16. 제15항에 있어서,
    하나의 자이로 웨이퍼 전체 면적에 걸쳐 상기 개별적인 각각의 자이로스코프 칩에게 동일한 진공패키지 공정환경을 제공하기 위하여,
    상기 멤즈 SOI웨이퍼는, 상기 멤즈 구조물의 진공내 작동을 위한 적어도 하나 이상의 진공 밀폐벽 과; 상기 바닥 웨이퍼는, 상기 밀폐벽 내부와 외부에 서로 전기적 배선이 연결되어 있는 적어도 하나 이상의 도핑전극 과;
    상기 캡 웨이퍼는, 상기 멤즈 구조물에 대한 진공상태 유지를 위한 적어도 하나 이상의 밀폐벽(hermetic sealing wall)과, 상기 밀폐벽 외부에 상기 캡 웨이퍼의 전면(front side)에서 배면(back side)까지 완전히 뚫린 적어도 하나 이상의 공기 관통홀(through hole)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    16. The method of claim 15,
    In order to provide the same vacuum package processing environment for each individual gyroscope chip over the entire area of one gyro wafer,
    The MEMS SOI wafer comprises: at least one vacuum sealing wall for in-vacuum operation of the MEMS structure; The bottom wafer may include at least one doping electrode having electrical wires connected to each other inside and outside the sealing wall;
    The cap wafer has at least one hermetic sealing wall for maintaining the vacuum state to the MEMS structure, and is completely drilled from the front side to the back side of the cap wafer outside the sealing wall. At least one air through hole
    MEMS-based gyroscope further comprising a.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 바닥 웨이퍼기판의 배면과 상기 바닥 웨이퍼기판의 전면 도핑전극 사이의 배선접속(interconnection)을 위한 적어도 하나 이상의 실리콘관통전극(TSV: Through Silicon Via) 과; 바닥 웨이퍼기판의 배면과 상기 멤즈 SOI웨이퍼 구조물 사이의 배선접속을 위한 적어도 하나 이상의 실리콘관통전극
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    16. The method of claim 15,
    At least one through silicon via (TSV) for interconnection between a bottom surface of the bottom wafer substrate and a front doped electrode of the bottom wafer substrate; At least one silicon through electrode for interconnection between the bottom surface of the bottom wafer substrate and the MEMS wafer structure
    MEMS-based gyroscope further comprising a.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼간밀폐접합 된 3중웨이퍼는, 상기 실리콘관통전극 홀을 상기 바닥 웨이퍼 배면으로부터 상기 바닥 웨이퍼기판, 및 상기 도핑전극, 및 상기 절연체, 및 상기 멤즈 SOI웨이퍼 사이의 식각속도선택비(etch rate selectivity)를 이용하여 식각하기 위하여, 상기 캡 웨이퍼의 공기 관통홀 아래 상기 바닥 웨이퍼 전면의 도핑전극 표면에 증착된 적어도 하나 이상의 더미금속패드(dummy metal pad)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    The method according to any one of claims 15 to 17,
    The wafer-sealed triple wafer includes an etch rate selectivity between the silicon through electrode hole and the bottom wafer substrate, the doped electrode, the insulator, and the MEMS SOI wafer. at least one dummy metal pad deposited on a surface of a doped electrode on the front surface of the bottom wafer under an air through hole of the cap wafer to be etched using a selectivity;
    MEMS-based gyroscope further comprises a.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 프레임에 대한 수직가진 진동에너지를 상기 바닥 웨이퍼기판과 상기 캡으로 각각 분산시키기 위하여,
    상기 멤즈 구조물의 보호를 위한 캡은, 상기 바닥 기판에 고정된 상기 프레임 앵커와의 접합을 위한 적어도 하나 이상의 기둥을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤즈 기반의 자이로스코프.
    16. The method of claim 15,
    In order to distribute the vibration energy having a perpendicular to the frame to the bottom wafer substrate and the cap, respectively,
    Caps for the protection of the MEMS structure, MEMs-based gyroscope further comprises at least one pillar for bonding with the frame anchor fixed to the bottom substrate.
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